Supravodivosť pri vysokej teplote

Supravodiče mali spočiatku veľmi obmedzené použitie, pretože ich prevádzková teplota by nemala prekročiť 20 K (-253 ° C). Napríklad teplota kvapalného hélia pri 4,2 K (-268,8 ° C) je veľmi vhodná na fungovanie supravodiča, ale na ochladenie a udržiavanie takej nízkej teploty, ktorá je technicky veľmi problematická, je potrebné veľa energie.

Vysokoteplotné supravodiče objavené v roku 1986 Karlom Müllerom a Georgom Bednoretom ukázali kritickú teplotu oveľa vyššiu a teplota tekutého dusíka pri 75 K (-198 ° C) pre takéto vodiče je dosť dostatočná na prevádzku. Okrem toho je dusík ako chladivo oveľa lacnejšie ako hélium.

Začiatok bol objavený v roku 1987 „skok vodivosti takmer na nulu“ pri teplote 36 K (-237 ° C) pre zlúčeniny lantánu, stroncia, medi a kyslíka (La - Sr - Cu - O). Potom bola prvýkrát objavená vlastnosť zlúčenín yttria, bária, medi a kyslíka (Y-Ba-Cu-O), ktoré majú supravodivé vlastnosti pri teplote 77,4 K (-195,6 ° C) nad teplotou varu kvapalného dusíka.

V roku 2003 bola objavená keramická zlúčenina Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), ktorá má kritickú teplotu 138 K (- 135 ° C) a dosahuje 166 K (- 107 ° C) pri tlaku 400 kbar; av roku 2015 bol stanovený nový rekord pre sírovodík (H2S), ktorý sa stal supravodičom pri tlaku 100 GPa pri teplote neprevyšujúcej 203 K (-70 ° C).

Supravodivosť ako fyzikálny jav, najskôr na mikroskopickej úrovni, bola vysvetlená v práci amerických fyzikov Johna Bardina, Leon Cooper a John Shriffer v roku 1957. Ich teória bola založená na koncepcii takzvaných Cooperových elektrónových párov a teória samotná sa volala podľa teórie BCS podľa prvých písmen mien svojich autorov a táto makroskopická teória supravodičov je dodnes dominantná.

Podľa tejto teórie stavy elektrónov Cooperových párov korelujú s opačnými točeniami a momentami. Zároveň sa v teórii použili tzv. Transformácie Nikolaja Bogolyubov, ktorý ukázal, že supravodivosť možno považovať za proces superfluidity elektrónového plynu.

V blízkosti povrchu Fermiho elektróny môžu byť účinne priťahované vzájomnou interakciou prostredníctvom fonónov a priťahujú sa iba elektróny, ktorých energia sa nelíši od energie elektrónov na povrchu Fermi o viac ako hVd (tu Vd je Debyeho frekvencia) a zvyšok elektrónov neinteraguje.

Interagujú elektróny a kombinujú sa do Cooperových párov. Tieto páry majú niektoré vlastnosti charakteristické pre bozóny a bozóny sa môžu ochladiť po prechode do jediného kvantového stavu. Vďaka tejto vlastnosti sa páry môžu pohybovať bez zrážok s mriežkou alebo inými elektrónmi, to znamená, že Cooperove páry sa pohybujú bez straty energie.

V praxi poskytujú vysokoteplotné supravodiče prenos energie bezstratový, vďaka čomu je ich zavedenie a použitie v budúcnosti užitočné a efektívne. Výkonové káble, transformátory, elektrické stroje, skladovanie indukčnej energie s neobmedzenou životnosťou, obmedzovače prúdu atď. - vysokoteplotné supravodiče sú všade v elektrotechnike použiteľné.

Rozmery sa znížia, znížia sa straty, zvýši sa účinnosť výroby, prenosu a distribúcie elektrickej energie ako celku. transformátory bude mať menšiu hmotnosť a veľmi nízke straty v porovnaní s transformátormi s konvenčnými vinutiami. Supravodivé transformátory budú šetrné k životnému prostrediu, nemusia byť chladené av prípade preťaženia bude prúd obmedzený.

Supravodivé obmedzovače prúdu sú menej zotrvačné. Keď zapnete zariadenia na uchovávanie energie a supravodivé generátory v elektrických sieťach, zvýši sa ich stabilita. Napájanie megacitov sa bude vykonávať pomocou supravodivých podzemných káblov, ktoré môžu viesť až päťkrát viac prúdu, a uloženie takýchto káblov výrazne ušetrí mestské oblasti, pretože káble budú v porovnaní s tými, ktoré sa dnes používajú, kompaktnejšie.

Výpočty ukazujú, že napríklad vybudovanie elektrického vedenia pre 1 GW pri napätí 154 kV pomocou supravodivých káblov bude stáť o 38% lacnejšie, než keby sa realizovalo štandardnou technológiou. A to s prihliadnutím na konštrukciu a inštaláciu, pretože požadovaný počet závitov je menší, celkový počet káblov je menší a vnútorný priemer potrubí je tiež menší.

Je pozoruhodné, že značný výkon sa môže prenášať supravodivým káblom aj pri nízkom napätí, čím sa znižuje elektromagnetické znečisteniea to platí pre husto osídlené oblasti, v ktorých ukladanie vysokonapäťových vedení spôsobuje obavy, a to tak medzi ekológmi, ako aj medzi verejnosťou.

Sľubné je aj zavedenie vysokoteplotných supravodičov do oblasti alternatívnej energie, kde ziskovosť v žiadnom prípade nie je sekundárnym faktorom, a použitie supravodičov tu zvýši účinnosť nových zdrojov. Okrem toho v nasledujúcich 20 rokoch existuje trvalý trend k ich rýchlemu rozvoju vo svete.