Korkean lämpötilan suprajohtavuus

Aluksi suprajohteilla oli erittäin rajoitettu käyttö, koska niiden käyttölämpötila ei saisi ylittää 20 K (-253 ° C). Esimerkiksi nestemäisen heliumin lämpötila 4,2 K (-268,8 ° C) sopii hyvin suprajohteen työskentelemiseen, mutta niin alhaisen lämpötilan jäähdyttämiseen ja ylläpitämiseen kuluu paljon energiaa, mikä on teknisesti erittäin ongelmallista.

Karl Müllerin ja Georg Bednoretsin vuonna 1986 löytämät korkean lämpötilan suprajohteet osoittivat kriittisen lämpötilan paljon korkeammaksi, ja nestemäisen typen lämpötila 75 K (-198 ° C) tällaisille johtimille on täysin riittävä toimimiseen. Lisäksi typpi on paljon halvempaa kuin helium kylmäaineena.

Aloittaminen oli vuonna 1987 löydetty "johtavuuden hyppy melkein nollaan" lämpötilassa 36 K (-237 ° C) lantaanin, strontiumin, kuparin ja hapen (La - Sr - Cu - O) yhdisteille. Sitten ensin löydettiin yttrium-, barium-, kupari- ja happi (Y-Ba-Cu-O) -yhdisteiden ominaisuus suprajohtavilla ominaisuuksilla lämpötilassa 77,4 K (-195,6 ° C) nestemäisen typen kiehumispisteen yläpuolella.

Vuonna 2003 löydettiin keraaminen yhdiste Hg-Ba-Ca-Cu-O (F), jonka kriittinen lämpötila on 138 K (-135 ° C) ja saavuttaa 166 K (-107 ° C) paineessa 400 kbar; ja vuonna 2015 asetettiin uusi ennätys rikkivetylle (H2S), josta tuli suprajohdin 100 GPa: n paineessa, lämpötilassa, joka ei ylitä 203 K (-70 ° C).

Suprajohtavuus fysikaalisena ilmiönä, ensin mikroskooppisella tasolla, selitettiin amerikkalaisten fyysikkojen John Bardinin, Leon Cooperin ja John Shrifferin työssä vuonna 1957. Heidän teoriansa pohjautuivat niin kutsuttujen Cooper-elektroniparien käsitteeseen, ja itse teoriaa kutsuttiin BCS-teoriaksi kirjoittajien nimien ensimmäisten kirjainten mukaan, ja tähän päivään mennessä tämä suprajohtajien makroskooppinen teoria on hallitseva.

Tämän teorian mukaan Cooper-parien elektronitilat korreloivat vastakkaisten spinien ja momenttien kanssa. Samanaikaisesti teoria käytti Nikolai Bogolyubovin ns. Muunnoksia, jotka osoittivat, että suprajohtavuutta voidaan pitää elektronikaasun ylivirtausprosessina.

Lähellä Fermi-pintaa elektronit voidaan houkutella tehokkaasti vuorovaikutuksessa fononien välityksellä, ja houkutellaan vain niitä elektroneja, joiden energia eroaa Fermin pinnan elektronienergiasta enintään hVd (tässä Vd on Debye-taajuus), ja muut elektronit eivät ole vuorovaikutuksessa.

Vuorovaikutuksessa olevat elektronit ja yhdistyvät Cooper-pareihin. Näillä pareilla on joitain bosoneille ominaisia ​​ominaisuuksia, ja bosonit voivat siirtyä yhdeksi kvantitilaksi jäähtyessään. Siksi tämän ominaisuuden vuoksi parit voivat liikkua törmäämättä joko hilaan tai muiden elektronien kanssa, toisin sanoen Cooper-parit liikkuvat ilman energiahäviötä.

Käytännössä korkean lämpötilan suprajohteet tarjoavat häviötöntä virransiirtoa, mikä tekee niiden käyttöönotosta ja käytöstä tulevaisuudessa hyödyllisen ja tehokkaan. Virtakaapelit, muuntajat, sähkökoneet, induktiivinen energian varastointi rajoittamattomalla säilyvyydellä, virranrajoitimet jne. - korkean lämpötilan suprajohteita voidaan käyttää kaikkialla sähkötekniikassa.

Mitat pienenevät, häviöt pienenevät, kokonaisen sähköenergian tuotannon, siirron ja jakelun tehokkuus kasvaa. muuntajat on vähemmän painoa ja erittäin pieniä häviöitä verrattuna muuntolaitteisiin, joissa on perinteiset käämit. Suprajohtavat muuntajat ovat ympäristöystävällisiä, niitä ei tarvitse jäähdyttää, ja ylikuormituksen tapauksessa virta on rajoitettu.

Suprajohtavat virranrajoitimet ovat vähemmän inertioita. Kun kytket energian varastointilaitteet ja suprajohtavat generaattorit sähköverkkoihin, niiden vakaus kasvaa. Suurkaupunkien virransyöttö suoritetaan suprajohtavilla maanalaisilla kaapeleilla, jotka voivat johtaa jopa viisinkertaisesti virtaan, ja tällaisten kaapeleiden asettaminen säästää merkittävästi kaupunkialueita, koska kaapelit ovat pienempiä verrattuna nykyään käytettyihin.

Laskelmat osoittavat, että esimerkiksi 1 GW: n voimajohdon rakentaminen 154 kV: n jännitteelle, jos käytetään suprajohtavia kaapeleita, maksaa 38% halvempaa kuin jos se toteutettaisiin vakioteknologialla. Ja tässä otetaan huomioon suunnittelu ja asennus, koska tarvittavia kierteitä on vastaavasti vähemmän, kaapeleiden kokonaismäärä on vähemmän ja myös putkien sisähalkaisija on pienempi.

On huomionarvoista, että huomattava teho voidaan siirtää suprajohtavan kaapelin kautta jopa pienellä jännitteellä vähentäen sähkömagneettinen pilaantuminen, ja tämä pätee tiheästi asutuille alueille, joilla korkeajännitejohtojen asettaminen aiheuttaa huolta sekä ekologien että kansalaisten keskuudessa.

Korkean lämpötilan suprajohteiden käyttöönotto vaihtoehtoisen energian alalla on myös lupaava, sillä kannattavuus ei ole mitenkään toissijainen tekijä, ja suprajohteiden käyttö tässä lisää uusien lähteiden tehokkuutta. Lisäksi seuraavien 20 vuoden aikana on jatkuvaa taipumusta niiden nopeaan kehitykseen maailmassa.