Nadprzewodnictwo w wysokiej temperaturze

Początkowo nadprzewodniki miały bardzo ograniczone zastosowanie, ponieważ ich temperatura robocza nie powinna przekraczać 20 K (-253 ° C). Na przykład temperatura ciekłego helu wynosząca 4,2 K (-268,8 ° C) dobrze nadaje się do pracy nadprzewodnika, ale potrzeba dużo energii do ochłodzenia i utrzymania tak niskiej temperatury, co jest technicznie bardzo problematyczne.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe odkryte w 1986 r. Przez Karla Müllera i Georga Bednoretsa wykazały znacznie wyższą temperaturę krytyczną, a temperatura ciekłego azotu dla takich przewodników w 75 K (-198 ° C) jest wystarczająca do działania. Ponadto azot jest znacznie tańszy niż hel jako czynnik chłodniczy.

Odkrycie w 1987 r. „Skoku przewodności prawie do zera” w temperaturze 36 K (-237 ° C) dla związków lantanu, strontu, miedzi i tlenu (La - Sr - Cu - O) było początkiem. Następnie, po raz pierwszy odkryto właściwość związków itru, baru, miedzi i tlenu (Y - Ba - Cu - O) do wykazywania właściwości nadprzewodzących w temperaturze 77,4 K (-195,6 ° C) powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu.

W 2003 r. Odkryto związek ceramiczny Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), który ma temperaturę krytyczną 138 K (-135 ° C) i osiąga 166 K (-107 ° C) przy ciśnieniu 400 kbar; aw 2015 r. ustanowiono nowy rekord dla siarkowodoru (H2S), który stał się nadprzewodnikiem pod ciśnieniem 100 GPa, w temperaturze nieprzekraczającej 203 K (-70 ° C).

Nadprzewodnictwo jako zjawisko fizyczne, najpierw na poziomie mikroskopowym, zostało wyjaśnione w pracy amerykańskich fizyków Johna Bardina, Leona Coopera i Johna Shriffera w 1957 roku. Ich teoria oparta była na koncepcji tak zwanych par elektronowych Coopera, a sama teoria została nazwana teorią BCS, zgodnie z pierwszymi literami nazwisk jej autorów, i do dziś ta makroskopowa teoria nadprzewodników jest dominująca.

Zgodnie z tą teorią stany elektronowe par Coopera korelują z przeciwnymi spinami i pędem. Jednocześnie w teorii wykorzystano tak zwane transformacje Mikołaja Bogoliubowa, który wykazał, że nadprzewodnictwo można uznać za proces nadpłynności gazu elektronowego.

W pobliżu powierzchni Fermiego elektrony można skutecznie przyciągać poprzez interakcję ze sobą za pośrednictwem fononów i przyciągane są tylko te elektrony, których energia różni się od energii elektronów na powierzchni Fermi nie więcej niż hVd (tutaj Vd to częstotliwość Debye'a), a reszta elektronów nie wchodzi w interakcje.

Oddziałujące elektrony i łączą się w pary Coopera. Pary te mają pewne właściwości charakterystyczne dla bozonów, a bozony mogą przechodzić w pojedynczy stan kwantowy po ochłodzeniu. Zatem, dzięki tej funkcji, pary mogą się poruszać bez kolizji z siatką lub innymi elektronami, to znaczy pary Coopera poruszają się bez strat energii.

W praktyce nadprzewodniki wysokotemperaturowe zapewniają bezstratne przesyłanie mocy, co sprawia, że ​​ich wprowadzenie i wykorzystanie w przyszłości będzie użyteczne i wydajne. Kable zasilające, transformatory, maszyny elektryczne, magazynowanie energii indukcyjnej o nieograniczonym okresie trwałości, ograniczniki prądu itp. - nadprzewodniki wysokotemperaturowe znajdują zastosowanie wszędzie w elektrotechnice.

Wymiary zostaną zmniejszone, straty zostaną zmniejszone, wzrośnie wydajność produkcji, przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej jako całości. Transformatory będzie miał mniejszy ciężar i bardzo małe straty w porównaniu z transformatorami z konwencjonalnymi uzwojeniami. Transformatory nadprzewodzące będą przyjazne dla środowiska, nie będą musiały być chłodzone, aw przypadku przeciążenia prąd będzie ograniczony.

Nadprzewodzące ograniczniki prądu są mniej bezwładne. Dzięki włączeniu generatorów nadprzewodzących i nadprzewodzących do sieci elektrycznych ich stabilność wzrośnie. Zasilanie megamiast zostanie przeprowadzone przez nadprzewodzące kable podziemne, które mogą przewodzić do 5 razy więcej prądu, a układanie takich kabli znacznie uratuje obszary miejskie, ponieważ kable będą bardziej zwarte w porównaniu do obecnie używanych.

Obliczenia pokazują, że na przykład zbudowanie linii elektroenergetycznej dla 1 GW przy napięciu 154 kV, jeśli zastosowane zostaną kable nadprzewodzące, będzie kosztować o 38% taniej niż w przypadku zastosowania standardowej technologii. I bierze to pod uwagę projekt i instalację, ponieważ liczba wymaganych gwintów jest odpowiednio mniejsza, całkowita liczba kabli jest mniejsza, a wewnętrzna średnica przewodów jest również mniejsza.

Warto zauważyć, że znaczna moc może być przenoszona przez kabel nadprzewodzący nawet przy niskim napięciu, zmniejszając zanieczyszczenie elektromagnetycznei dotyczy to gęsto zaludnionych obszarów, na których układanie linii wysokiego napięcia budzi obawy, zarówno wśród ekologów, jak i społeczeństwa.

Wprowadzenie nadprzewodników wysokotemperaturowych w dziedzinie energii alternatywnej jest również obiecujące, gdzie rentowność nie jest w żadnym wypadku czynnikiem wtórnym, a zastosowanie nadprzewodników w tym przypadku zwiększy wydajność nowych źródeł. Co więcej, przez następne 20 lat istnieje stała tendencja do ich szybkiego rozwoju na świecie.