Nadprzewodnictwo w elektroenergetyce. Część 2. Przyszłość nadprzewodników

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że nowe materiały, nadprzewodniki, mogą być stosowane niemal wszędzie tam, gdzie wykorzystywane są pola magnetyczne i prądy elektryczne. Ale czy tak jest?

Aby poruszać się po wielu pracach technicznych z nadprzewodnikami, należy pamiętać, że w ogóle nie ma nadprzewodników. Są to zwykłe metale znane wszystkim, w specjalnych warunkach wykazujących niezwykłe właściwości.

Na przykład aluminium dobrze przewodzi prąd elektryczny w temperaturze pokojowej, dlatego uważa się go za jeden z najlepszych przewodników. Pole magnetyczne w nim jest nieznacznie wzmocnione: takie materiały nazywane są paramagnetykami. Aluminium doskonale przenosi ciepło, co oznacza, że ​​można go uznać za przewodnik ciepła.

Po schłodzeniu do ekstremalnie niskich temperatur właściwości niektórych metali zmieniają się znacząco. Na przykład w przypadku tego samego aluminium w temperaturach poniżej 272 ° C opór elektryczny znika, a przewodność wzrasta do nieskończoności (nadprzewodnik). Ale przewodność cieplna materiału prawie tak samo pogarsza się (izolator cieplny). Pole magnetyczne jest całkowicie przemieszczane z próbki (idealna diamagnet). Ale to nie wystarczy: można zarejestrować właściwości kwantowe materiału, które w zwykłych temperaturach przejawiają się pośrednio.

Metale wykazujące tak nieoczekiwaną kombinację cech są powszechnie nazywane nadprzewodnikami, ale nie należy zapominać o ograniczeniach tej nazwy. Nadal rzadko stosuje się zmniejszoną przewodność cieplną nowych materiałów. Diamagnetyzm nadprzewodników jest już stosowany celowo. Właściwości kwantowe stanowiły podstawę działania wielu bardzo precyzyjnych przyrządów pomiarowych.

Niemniej jednak, na początkowym etapie rozwoju nowego zjawiska, zainteresowania większości badaczy koncentrują się na wykorzystaniu nieskończenie dużej przewodności nadprzewodników.

Szczególnie skutecznie tworzone i stosowane są nadprzewodzące układy magnetyczne do różnych celów. Rzeczywiście, przez zwykłe przewodniki, z powodu nadmiernego wytwarzania ciepła, nie można przepuścić zbyt dużych prądów. Po zniknięciu oporu elektrycznego można znacznie zwiększyć gęstość prądu. Wykorzystali to fizycy: w końcu im wyższy prąd, tym silniejsze pole magnetyczne. Nadprzewodniki mogą wytwarzać wyjątkowo silne elektromagnesy. Właśnie dlatego kierunek magnetyczny nadprzewodnictwa technicznego stał się decydujący od wielu lat!

Nie ma wątpliwości, że w nadchodzących dziesięcioleciach sprzęt otrzyma nowe jednostki o ulepszonej charakterystyce. Powstają nowe akceleratory, pociągi z zawieszeniem magnetycznym z napędem elektromagnetycznym, duże generatory z wirnikiem nadprzewodzącym. Budowane są coraz mocniejsze modele tokamaków. To niesamowite, że w trakcie naszej generacji pojawią się przemysłowe reaktory termojądrowe, których nie da się stworzyć bez nadprzewodników. Za kilka lat w budynkach, w których zlokalizowani są duzi odbiorcy energii elektrycznej, będzie można montować ogromne cewki toroidalne usprawnione prądami, zaprojektowane do samodzielnego dostarczania energii elektrycznej do lokalnych instalacji.

Przydatne jest ulepszenie struktur elektrotechnicznych i rozszerzenie ich możliwości technicznych. Ale, co może ważniejsze, innym zadaniem jest usunięcie strat spowodowanych nagrzewaniem przewodów usprawnionych prądami elektrycznymi. Oczywiście nie mówimy o domowych instalacjach elektrycznych, wystarczy zastosować nadprzewodniki do przewodów przewodzących prąd w dużych instalacjach elektrycznych.

Brak strat w przewodach sprzyja tworzeniu nadprzewodzących układów magnetycznych i urządzeń krioelektronicznych.Ale wciąż budowane są nowe elektromagnesy nie w celu zmniejszenia strat, ale w celu wytworzenia wcześniej nieosiągalnych pól magnetycznych. A urządzenia oparte na nadprzewodnikach pozwalają uzyskać niezwykle wysoką dokładność pomiaru, chociaż wzrost wydajności znacznie poprawia parametry techniczne supermetrów.

Niezwykle korzystne jest stosowanie nadprzewodników specjalnie w celu zmniejszenia strat elektrycznych. Ta linia pracy zasługuje na wsparcie na całym świecie. Na przykład kable nadprzewodzące nie są potrzebne, ponieważ możliwości projektowe znanych materiałów zostały już wyczerpane. Takie urządzenia liniowe są atrakcyjne głównie dlatego, że można je wykorzystać do wyeliminowania strat w sieciach elektrycznych. Jeśli nadprzewodzące linie energetyczne są szeroko stosowane, można osiągnąć ogromne oszczędności w zasobach paliwowych.

Wiadomo, że paliwa organiczne (ropa, gaz, węgiel) kończą się, a ich produkcja staje się coraz trudniejsza. Dziś energia koncentruje się na przyspieszonym tworzeniu elektrowni jądrowych i elektrowni jądrowych, na rozwoju syntezy termojądrowej, na wykorzystaniu energii promieniowania słonecznego, ciepła mórz i oceanów. Zaprojektowane stacje działające na energii pływów i fal.

Nadprzewodniki ze swej natury byłyby idealne do tego celu. W końcu żyły nowych kabli, generatorów, transformatorów nie będą ogrzewane prądami elektrycznymi. Po raz pierwszy ludzie mogliby świadomie wykluczyć straty Joule'a z bilansu kosztów energii elektrycznej. Szacuje się, że nadprzewodzące działanie dużych elektrowni przyniosłoby krajowi miliardy dolarów.

Poprawa właściwości technicznych urządzeń elektrycznych, zmniejszenie zużycia paliwa, częściowo dzisiaj kompensacja strat w przewodach, to nie wszystko. Nadprzewodniki poprawią sytuację środowiskową na świecie! W końcu energia wszystkich urządzeń technicznych jest ostatecznie przekształcana w ciepło. Tempo ogrzewania planety jest wysokie, odpowiadają one tempu rozwoju przemysłowego. Powszechne wprowadzenie nadprzewodzących urządzeń elektrycznych zmniejszyłoby dopływ ciepła do atmosfery, umożliwiając, a nawet eliminując, przynajmniej osłabienie zanieczyszczenia termicznego planety.

Problem powszechnego zastosowania nadprzewodników w elektrotechnice jest złożony i różnorodny, ale wyniki zastosowania nadprzewodników w instalacjach fizycznych i przemysłowych mogą być ogromne.

Nadprzewodnictwo to cudowne zjawisko. Badając niezwykłe i imponujące właściwości nadprzewodników, fizycy coraz głębiej penetrują tajemnice struktury materii. Inżynierowie starają się, aby nadprzewodniki były ich narzędziem, aby działały. Supertask dla nadprzewodników polega na przeniesieniu ich użytecznych właściwości na obiekty nowej technologii.

Michaił Czernow