Što su superprovodnici i kada ćemo svi dobiti vlakove maglev i neograničenu električnu snagu?

Superprovodljivost je jedan od onih koncepata - poput vrtnje elektrona ili dilatacije vremena - koji djeluje pomalo ezoterično, ali koji bi, ako se ovlada tehnologijom, mogao uistinu revolucionirati svijet. To je koncept koji već danas intenzivno koristimo u raznim aplikacijama, ali sposobnost stvaranja u sve manje gostoljubivim okruženjima mogla bi biti ključ za oživljavanje mnogih snova o znanstvenoj fantastici.

Što je supravodljivost? Pojednostavljeno, superprovodljivost je svojstvo nule (ne gotovo nule, ne nestajuće blizu nule, alinula) otpor kretanju elektrona. To je više nego samostvarno jako niskootpornost, Jer da bi, recimo u žici, imao istinsku supravodljivost, jedan kraj te žice mora moći primiti 100% energije uložene u drugi. To znači da bi, ako pumpamo malo električne energije u zatvorenu supravodljivu petlju, ta petlja zadržavala svoj naboj na neodređeno vrijeme. Elektroni će se jednostavno vrtjeti u krug i krug, nikad se neće zaustaviti i nikada neće izgubiti energiju na otporu, magnetskim smetnjama ili čak gubicima topline.



Uzorak egzotičnog supravodljivog materijala bizmut-stroncij-kalcij-bakar-oksid (BSCCO-2223).

Uzorak egzotičnog supravodljivog materijala bizmut-stroncij-kalcij-bakar-oksid (BSCCO-2223).

Ipak, postoji jedan veliki problem s misaonim eksperimentom zatvorene petlje: on podrazumijeva da je supravodljivost stanje u kojem materijal može jednostavnobiti. Međutim, svi trenutno poznati supravodiči moraju se aktivno držati u tom stanju putem unosa energije; moramo ih držati ispod određene kritične temperature i često to nadopunjavati primjenom magnetskog polja kako bi se izbacilo nekolicina preostalih unutarnjih sila. Pragovi temperature su nevjerojatno niski, a time i nevjerojatno skupi za održavanje. Primjerice, aluminij ima prag superprovodne temperature od 1,2 Kelvina ili -271,95 ° C.

Uključena fizika je ili prilično jednostavna ili prilično složena, ovisno o materijalu. U čistim metalima ili jednostavnim metalnim legurama, supravodljivost dolazi u osnovi kada su atomi tog materijala ohlađeni (usporeni) do te mjere da se elektroni ne raspršuju dok se pokušavaju kretati kroz rešetku atoma metala. To je sjajno, ali zaustaviti atomsko kretanje (toplinu) vrlo je teško, kao što je spomenuto. Složeniji materijali, od kojih neki mogu postići supravodljivost iznad kriogenih temperatura, definitivno su u domenu kvantne čudnosti i povezani su s privremenim interakcijama između elektronskih parova.



To znači da bi naša beskonačno-energetska petlja mogla postojati samo dok trošimo značajnu energiju kako bi petlju održali u superprovodnom stanju, a ta vrsta sada pobjeđuje točku skladištenja energije bez gubitaka, zar ne?

Svijet

Prvi supervodljivi kabel na svijetu. Niti znanost o krvarim rubovima ne može izgledati osobito napredno na gradilištu.

Trenutne primjene supravodiča ograničene su njihovim temperaturnim zahtjevima. MRI uređaji nevjerojatno su skupi, uglavnom zato što im trebaju egzotične tvari poput tekućeg helija za hlađenje metalnih zavojnica do te mjere da mogu provoditi dovoljno električne energije da stvore jakosti magnetskog polja potrebnog za preusmjeravanje molekula ljudskog tijela. Mnogo šokantnih troškova Velikog hadronskog sudarača došlo je iz istog izvora. Čak i istraživanje fuzijske snage usporava gotovo nevjerojatan trošak i poteškoća stvaranja ogromnih magnetskih tokamak uređaja za zadržavanje plazme.



Zbog toga naš Sveti gral nije supravodljivost, što je postignuto u svemu, od superhlađenog porculana do superhlađenog dijamanta, većpraktična supravodljivost. To se također naziva supertempičnost visoke temperature ili (uistinu ambiciozna) superprovodljivost sobne temperature. Prag 'visoke temperature' tehnički je oko 30.000, ali u današnjim razgovorima uglavnom je zaključan na ograničenja stvarne primjene. Visoka temperatura supervodiča u osnovi je bilo koja temperatura koju znanstvenici mogu stvoriti za prihvatljiv trošak energije. Kad bismo mogli iznenada ohladiti supravodljivi materijal na 29 Kelvina s vrlo malo problema, 29 Kelvina bi za naše potrebe učinkovito postalo visoka temperatura.

Vlakovi Maglev bili bi logičan izbor u gotovo svakom slučaju, ako ne i koliko su preskupo skupi.

Vlakovi Maglev bili bi logičan izbor u gotovo svakom slučaju, ako ne i koliko su preskupo skupi.

Zapitajte se: Koje su tehnološke prepreke za pretvaranje Afrike u električnu bateriju koja sve snage ima? Postoje, u općenitom smislu, dvije. Jedno je sposobnost sakupljanja i pohranjivanja dovoljno velikog dijela sunčeve svjetlosti koje pada na taj pustinjski kontinent, a drugo je sposobnost da se ta uskladištena energija zapravo odvede u domove, urede i tvornice tamo gdje je to potrebno. S dovoljno pristupačnim i praktično dovoljno supravodljivim materijalom mogli bismo svoje elektrone poslati preko Atlantika. Općinske tranzitne linije mogli bismo pretvoriti u magnetski levitirane vlakove sa mecima. Bolnice bi mogle imati više MRI aparata nego što im je potrebno, a neke bi mogle posuditi za kućnu upotrebu. Općenito, mogao bi dopustiti široku primjenu tehnologija koje su prije bile moguće samo u malim razmjerima ili u posebnim, dobro financiranim laboratorijima.

Danas nismo ni blizu tih pragova. Različite kristalne strukture mogu obaviti posao (dijamantni radovi, kao što je spomenuto), ali ono što su znanstvenici otkrili jest da mogu postići iste rezultate u složenim miješanim materijalima - iako fizika zašto je to točno zašto trenutno nije jasna. Najbolji superprovodnici ikad stvoreni su kuprati ili supstance koje sadrže bakar-ion, ali najnapredniji od njih i dalje zahtijevaju hlađenje do -140 ° C, a prilično su teški i skupi za proizvodnju.

Dijagram unutarnjeg rada supravodljivog kabela u Essenu, Njemačka.

Dijagram unutarnjeg rada supravodljivog kabela u Essenu, Njemačka.

To ne znači da nije bilo uspjeha. Uzimajući u obzir jednostavnu električnu učinkovitost, koja predstavlja gubitak otprilike 6% električne energije u prijenosu električne energije, njemački grad Essen nedavno instaliran kilometar dugački vodljivi kabel za prijenos mrežne snage. Ovaj kabel koristi tekući dušik za postizanje radne temperature od 60K ili -206 ° C. To je vrlo impresivno, a upotreba tekućeg dušika za hlađenje čini ga barem donekle pristupačnim, ali trebat će nam daleko bolje da započnemo masovnu zamjenu električne infrastrukture cijelog svijeta.

Superprovodljivost je glavno područje istraživanja kako akademika, tako i industrijskih znanstvenika, no vrlo je moguće da će se konačno rješenje naći prvo na ploči, a drugo u laboratoriju.

Pogledajte našu seriju 2007es.com Explains za detaljnije izvještavanje o najnovijim tehnološkim temama današnjice.

Copyright © Sva Prava Pridržana | 2007es.com