Hochtemperatursupraleitung

Anfänglich hatten Supraleiter eine sehr begrenzte Anwendung, da ihre Betriebstemperatur 20 K (-253 ° C) nicht überschreiten sollte. Zum Beispiel ist die Temperatur von flüssigem Helium bei 4,2 K (-268,8 ° C) gut geeignet, damit der Supraleiter arbeitet, aber es braucht viel Energie, um eine so niedrige Temperatur abzukühlen und aufrechtzuerhalten, was technisch sehr problematisch ist.

Die 1986 von Karl Müller und Georg Bednorets entdeckten Hochtemperatursupraleiter zeigten eine viel höhere kritische Temperatur, und die Temperatur von flüssigem Stickstoff bei 75 K (-198 ° C) für solche Leiter reicht für den Betrieb völlig aus. Darüber hinaus ist Stickstoff als Kältemittel viel billiger als Helium.

Die Entdeckung eines "Leitfähigkeitssprungs auf nahezu Null" bei einer Temperatur von 36 K (-237 ° C) für Verbindungen von Lanthan, Strontium, Kupfer und Sauerstoff (La-Sr-Cu-O) im Jahr 1987 war der Anfang. Dann wurde zuerst die Eigenschaft der Yttrium-, Barium-, Kupfer- und Sauerstoff (Y-Ba-Cu-O) -Verbindungen entdeckt, supraleitende Eigenschaften bei einer Temperatur von 77,4 K (-195,6 ° C) über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff aufzuweisen.

Im Jahr 2003 wurde die Keramikverbindung Hg-Ba-Ca-Cu-O (F) entdeckt, die eine kritische Temperatur von 138 K (-135 ° C) aufweist und bei einem Druck von 400 kbar 166 K (-107 ° C) erreicht. und im Jahr 2015 wurde ein neuer Rekord für Schwefelwasserstoff (H2S) aufgestellt, der bei einem Druck von 100 GPa und einer Temperatur von nicht mehr als 203 K (-70 ° C) zu einem Supraleiter wurde.

Die Supraleitung als physikalisches Phänomen, zunächst auf mikroskopischer Ebene, wurde 1957 in der Arbeit der amerikanischen Physiker John Bardin, Leon Cooper und John Shriffer erklärt. Ihre Theorie basierte auf dem Konzept der sogenannten Cooper-Elektronenpaare, und die Theorie selbst wurde nach den Anfangsbuchstaben der Namen ihrer Autoren als BCS-Theorie bezeichnet, und bis heute ist diese makroskopische Theorie der Supraleiter dominant.

Nach dieser Theorie korrelieren die Elektronenzustände von Cooper-Paaren mit entgegengesetzten Spins und Impulsen. Gleichzeitig verwendete die Theorie die sogenannten Transformationen von Nikolai Bogolyubov, der zeigte, dass Supraleitung als ein Prozess der Superfluidität eines Elektronengases betrachtet werden kann.

In der Nähe der Fermi-Oberfläche können Elektronen effektiv angezogen werden, indem sie über Phononen miteinander interagieren, und nur diejenigen Elektronen werden angezogen, deren Energie sich von der Elektronenenergie auf der Fermi-Oberfläche um nicht mehr als hVd unterscheidet (hier ist Vd die Debye-Frequenz), und der Rest der Elektronen interagiert nicht.

Wechselwirkende Elektronen und verbinden sich zu Cooper-Paaren. Diese Paare besitzen einige Eigenschaften, die für Bosonen charakteristisch sind, und Bosonen können beim Abkühlen in einen einzelnen Quantenzustand übergehen. Aufgrund dieses Merkmals können sich Paare bewegen, ohne mit dem Gitter oder anderen Elektronen zu kollidieren, dh Cooper-Paare bewegen sich ohne Energieverlust.

In der Praxis bieten Hochtemperatursupraleiter eine verlustfreie Energieübertragung, wodurch ihre Einführung und Verwendung in der Zukunft nützlich und effizient ist. Stromkabel, Transformatoren, elektrische Maschinen, induktive Energiespeicher mit unbegrenzter Haltbarkeit, Strombegrenzer usw. - Hochtemperatursupraleiter sind in der Elektrotechnik überall einsetzbar.

Die Abmessungen werden reduziert, die Verluste werden reduziert, die Effizienz der Produktion, Übertragung und Verteilung der elektrischen Energie insgesamt wird steigen. Transformatoren hat im Vergleich zu Transformatoren mit herkömmlichen Wicklungen weniger Gewicht und sehr geringe Verluste. Supraleitende Transformatoren sind umweltfreundlich, müssen nicht gekühlt werden, und im Falle einer Überlastung wird der Strom begrenzt.

Supraleitende Strombegrenzer sind weniger träge. Wenn Sie Energiespeicher und supraleitende Generatoren in elektrischen Netzen einschalten, erhöht sich deren Stabilität. Die Stromversorgung der Megastädte erfolgt über supraleitende Erdkabel, die bis zu fünfmal mehr Strom leiten können, und durch die Verlegung solcher Kabel werden städtische Gebiete erheblich geschont, da die Kabel im Vergleich zu den heute verwendeten kompakter sind.

Berechnungen zeigen, dass beispielsweise der Bau einer Stromleitung für 1 GW bei einer Spannung von 154 kV bei Verwendung von supraleitenden Kabeln 38% billiger ist als bei Verwendung mit Standardtechnologie. Dies berücksichtigt die Konstruktion und Installation, da die Anzahl der erforderlichen Gewinde geringer ist, die Gesamtzahl der Kabel geringer ist und der Innendurchmesser der Leitungen ebenfalls geringer ist.

Es ist bemerkenswert, dass eine signifikante Leistung auch bei niedriger Spannung über ein supraleitendes Kabel übertragen werden kann, wodurch sich die Leistung verringert elektromagnetische VerschmutzungDies gilt auch für dicht besiedelte Gebiete, in denen die Verlegung von Hochspannungsleitungen sowohl bei Ökologen als auch in der Öffentlichkeit Anlass zur Sorge gibt.

Vielversprechend ist auch die Einführung von Hochtemperatursupraleitern im Bereich der alternativen Energie, bei denen die Rentabilität keineswegs ein sekundärer Faktor ist und der Einsatz von Supraleitern hier die Effizienz neuer Quellen erhöhen wird. Darüber hinaus besteht für die nächsten 20 Jahre eine stetige Tendenz zu ihrer raschen Entwicklung in der Welt.