Υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας

Αρχικά, οι υπεραγωγοί είχαν πολύ περιορισμένη εφαρμογή, καθώς η θερμοκρασία λειτουργίας τους δεν πρέπει να υπερβαίνει τις 20K (-253 ° C). Για παράδειγμα, η θερμοκρασία του υγρού ηλίου στα 4,2 K (-268,8 ° C) είναι πολύ κατάλληλη για να λειτουργήσει ο υπεραγωγός, αλλά χρειάζεται πολλή ενέργεια για να κρυώσει και να διατηρηθεί μια τόσο χαμηλή θερμοκρασία, κάτι που είναι τεχνικά πολύ προβληματικό.

Οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας που ανακαλύφθηκαν το 1986 από τους Karl Müller και Georg Bednorets έδειξαν μια κρίσιμη θερμοκρασία πολύ υψηλότερη και η θερμοκρασία του υγρού αζώτου στα 75K (-198 ° C) για τέτοιους αγωγούς είναι αρκετή για τη λειτουργία. Επιπλέον, το άζωτο είναι πολύ φθηνότερο από το ήλιο ως ψυκτικό μέσο.

Η ανακάλυψη το 1987 ενός «άλματος στην αγωγιμότητα σχεδόν στο μηδέν» σε θερμοκρασία 36K (-237 ° C) για τις ενώσεις του λανθανίου, του στροντίου, του χαλκού και του οξυγόνου (La - Sr - Cu - O) ήταν η αρχή. Στη συνέχεια ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά η ιδιότητα των ενώσεων υττρίου, βαρίου, χαλκού και οξυγόνου (Y - Ba - Cu - O) να επιδείξουν υπεραγωγικές ιδιότητες σε θερμοκρασία 77,4 K (-195,6 ° C) πάνω από το σημείο ζέσεως του υγρού αζώτου.

Το 2003, ανακαλύφθηκε η κεραμική ένωση Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), η οποία έχει κρίσιμη θερμοκρασία 138 K (-135 ° C) και φτάνει στα 166 K (-107 ° C) και το 2015, καθορίστηκε νέο αρχείο για το υδρόθειο (H2S), το οποίο έγινε υπεραγωγός σε πίεση 100 GPa, σε θερμοκρασία που δεν υπερβαίνει τους 203 K (-70 ° C).

Η υπεραγωγιμότητα ως φυσικό φαινόμενο, πρώτα σε μικροσκοπικό επίπεδο, εξηγήθηκε στο έργο των αμερικανών φυσικών John Bardin, Leon Cooper και John Shriffer το 1957. Η θεωρία τους βασίστηκε στην έννοια των λεγόμενων ζευγών ηλεκτρονίων Cooper και η ίδια η θεωρία ονομάστηκε η θεωρία BCS, σύμφωνα με τα πρώτα γράμματα των ονομάτων των συγγραφέων της, και μέχρι σήμερα αυτή η μακροσκοπική θεωρία των υπεραγωγών κυριαρχεί.

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, οι καταστάσεις ηλεκτρονίων των ζευγών Cooper συσχετίζονται με αντίθετες περιστροφές και στιγμές. Ταυτόχρονα, η θεωρία χρησιμοποίησε τους λεγόμενους μετασχηματισμούς του Νικολάι Μπογκολόβουβοφ, οι οποίοι έδειξαν ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να θεωρηθεί ως μια διαδικασία υπερρευστότητας ενός αερίου ηλεκτρονίων.

Κοντά στην επιφάνεια του Fermi, τα ηλεκτρόνια μπορούν να προσελκύονται αποτελεσματικά αλληλεπιδρώντας μεταξύ τους μέσω φωνόνων και προσελκύονται μόνο εκείνα τα ηλεκτρόνια των οποίων η ενέργεια διαφέρει από την ενέργεια των ηλεκτρονίων στην επιφάνεια Fermi όχι περισσότερο από hVd (εδώ Vd είναι η συχνότητα Debye) και τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια δεν αλληλεπιδρούν.

Αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων και συνδυασμός σε ζεύγη Cooper. Αυτά τα ζεύγη έχουν κάποιες ιδιότητες χαρακτηριστικές για τα μποζόνια και τα μποζόνια μπορούν να μεταφερθούν σε μία κβαντική κατάσταση κατά την ψύξη. Έτσι, λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, τα ζεύγη μπορούν να κινούνται χωρίς να συγκρουστούν είτε με το πλέγμα είτε με άλλα ηλεκτρόνια, δηλαδή ζεύγη Cooper κινούνται χωρίς απώλεια ενέργειας.

Στην πράξη, οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας παρέχουν μετάδοση ισχύος χωρίς απώλειες, γεγονός που καθιστά την εισαγωγή και τη χρήση τους στο μέλλον χρήσιμες και αποδοτικές. Καλώδια ισχύος, μετασχηματιστές, ηλεκτρικά μηχανήματα, επαγωγική ενεργειακή αποθήκευση με απεριόριστη διάρκεια ζωής, περιοριστές ρεύματος κλπ. - Υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας ισχύουν παντού στην ηλεκτροτεχνία.

Οι διαστάσεις θα μειωθούν, θα μειωθούν οι απώλειες, θα αυξηθεί η αποδοτικότητα της παραγωγής, της μεταφοράς και της διανομής ηλεκτρικής ενέργειας στο σύνολό της. Μετασχηματιστές θα έχουν μικρότερο βάρος και πολύ χαμηλές απώλειες, σε σύγκριση με τους μετασχηματιστές με συμβατικές περιελίξεις. Οι υπεραγώγιμοι μετασχηματιστές θα είναι φιλικοί προς το περιβάλλον, δεν θα χρειαστεί να κρυώσουν, και σε περίπτωση υπερφόρτωσης, το ρεύμα θα είναι περιορισμένο.

Οι υπεραγωγικοί περιοριστές ρεύματος είναι λιγότερο αδρανείς. Όταν ενεργοποιείτε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και υπεραγώγιμες γεννήτριες σε ηλεκτρικά δίκτυα, η σταθερότητά τους θα αυξηθεί. Η τροφοδοσία των μεγαφώνων θα πραγματοποιηθεί μέσω υπεραγώγιμων υπόγειων καλωδίων που μπορούν να φτάσουν μέχρι και 5 φορές περισσότερο ρεύμα και η τοποθέτηση τέτοιων καλωδίων θα σώσει σημαντικά τις αστικές περιοχές, αφού τα καλώδια θα είναι πιο συμπαγή σε σύγκριση με αυτά που χρησιμοποιούνται σήμερα.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι, για παράδειγμα, η κατασκευή γραμμής ισχύος για 1 GW με τάση 154 kV, εάν χρησιμοποιούνται υπεραγωγικά καλώδια, θα κοστίσει κατά 38% φθηνότερα από ό, τι εάν εφαρμοζόταν χρησιμοποιώντας την τυπική τεχνολογία. Και αυτό λαμβάνει υπόψη το σχεδιασμό και την εγκατάσταση, επειδή ο αριθμός των νημάτων που απαιτούνται είναι μικρότερος, αντίστοιχα, ο συνολικός αριθμός των καλωδίων είναι μικρότερος και η εσωτερική διάμετρος των αγωγών είναι επίσης μικρότερη.

Αξίζει να σημειωθεί ότι μια σημαντική ισχύς μπορεί να μεταδοθεί μέσω ενός υπεραγώγιμου καλωδίου ακόμη και σε χαμηλή τάση, μειώνοντας ηλεκτρομαγνητική ρύπανση, και αυτό ισχύει για τις πυκνοκατοικημένες περιοχές, όπου η τοποθέτηση γραμμών υψηλής τάσης προκαλεί ανησυχία, τόσο μεταξύ των οικολόγων όσο και του κοινού.

Η εισαγωγή υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας στον τομέα της εναλλακτικής ενέργειας είναι επίσης ελπιδοφόρα, όπου η κερδοφορία δεν είναι καθόλου δευτερεύων παράγοντας και η χρήση υπεραγωγών εδώ θα αυξήσει την αποδοτικότητα των νέων πηγών. Επιπλέον, για τα επόμενα 20 χρόνια, υπάρχει μια σταθερή τάση για την ταχεία ανάπτυξή τους στον κόσμο.