Suprajohtavuus sähköteollisuudessa. Osa 2. Suprajohteiden tulevaisuus

Ensi silmäyksellä uudet materiaalit, suprajohteet, vaikuttavat olevan edullisia käyttää melkein missä tahansa, missä käytetään magneettikenttiä ja sähkövirtoja. Mutta onko niin?

Jotta navigoitaisiin monissa teknisissä töissä suprajohteiden kanssa, on pidettävä mielessä, että sellaisia ​​suprajohteita ei sellaisenaan ole. Nämä ovat tavallisia metalleja, jotka kaikki tunnetaan erityisissä olosuhteissa, joilla on epätavallisia ominaisuuksia.

Esimerkiksi alumiini johtaa sähkövirtaa hyvin huoneenlämpötilassa, joten sitä pidetään yhtenä parhaimmista johtimista. Sen magneettikenttä on hiukan parantunut: sellaisia ​​materiaaleja kutsutaan paramagneeteiksi. Alumiini siirtää lämpöä täydellisesti, mikä tarkoittaa, että sitä voidaan pitää lämmönjohtimena.

Kun se jäähdytetään erittäin matalaan lämpötilaan, joidenkin metallien ominaisuudet muuttuvat merkittävästi. Samalle alumiinille, esimerkiksi alle 272 ° C: n lämpötiloissa, sähkövastus katoaa ja johtavuus kasvaa äärettömyyteen (suprajohdin). Mutta materiaalin lämmönjohtavuus heikkenee melkein yhtä pahasti (lämpöeriste). Magneettikenttä on täysin siirtynyt näytteestä (ihanteellinen diamagneetti). Mutta tämä ei riitä: on mahdollista rekisteröidä materiaalin kvanttiominaisuudet, jotka tavallisissa lämpötiloissa ilmenevät epäsuorasti.

Metalleja, jotka osoittavat tällaisen odottamattoman ominaisuuksien yhdistelmän, kutsutaan yleisesti suprajohteiksi, mutta ei pidä unohtaa tämän nimen rajoituksia. Uusien materiaalien alennettua lämmönjohtavuutta käytetään edelleen harvoin. Suprajohtajien diamagnetismia käytetään jo määrätietoisesti. Kvanttien ominaisuudet muodostivat perustan monien erittäin tarkkojen mittalaitteiden toiminnalle.

Uuden ilmiön kehityksen alkuvaiheessa useimpien tutkijoiden intressit kuitenkin keskittyvät suprajohteiden äärettömän suuren johtavuuden käyttöön.

Erityisen menestyksekkäästi luodaan ja käytetään suprajohtavia magneettijärjestelmiä erilaisiin tarkoituksiin. Tosiaankin, tavallisten johtimien kautta, liiallisen lämmön muodostumisen vuoksi liian suuria virtauksia ei voida siirtää. Kun sähkövastus on kadonnut, virrantiheyksiä voidaan suurentaa huomattavasti. Fyysikot käyttivät tätä etua: loppujen lopuksi, mitä suurempi virta, sitä voimakkaampi magneettikenttä. Suprajohteet voivat luoda erittäin vahvoja sähkömagneetteja. Siksi teknisen suprajohtavuuden magneettisuunnasta on tullut ratkaiseva monien vuosien ajan!

Ei ole epäilystäkään siitä, että tulevina vuosikymmeninä laitteet saavat uusia yksiköitä, joiden ominaisuudet ovat parantuneet. Uusia kiihdyttimiä, magneettisen jousituksen omaavia junia, joissa on sähkömagneettinen veto, suuria generaattoreita, joissa on suprajohtava roottori. Yhä tehokkaampia tokamak-malleja on rakenteilla. On uskomatonta, että sukupolvemme aikana ilmaantuu teollisia lämpöydinreaktoreita, joita ei voida luoda ilman suprajohteita. Muutaman vuoden kuluttua rakennuksiin, joissa sijaitsevat suuret sähkön kuluttajat, on mahdollista asentaa valtavia toroidikäämejä, joita on virtavirtaviivaistettu ja jotka on suunniteltu toimittamaan sähköä itsenäisesti paikallisille laitoksille.

On hyödyllistä parantaa sähkötekniikan rakenteita ja laajentaa niiden teknisiä ominaisuuksia. Mutta mikä tärkeämpää, toinen tehtävä on poistaa häviöt, jotka aiheutuvat sähkövirtoilla virtautettujen johtimien kuumenemisesta. Emme tietenkään puhu kotitalouksien sähköjohdotuksista, riittää, kun käytetään suprajohteita suurten sähköasennusten virtajohtimiin.

Häviöiden puuttuminen johdoista suosii suprajohtavien magneettisten järjestelmien ja kryoelektronisten laitteiden luomista.Mutta silti uusia sähkömagneetteja ei ole rakennettu vähentämään häviöitä, vaan luomaan aikaisemmin saavuttamattomia magneettikenttiä. Ja suprajohteisiin perustuvat laitteet mahdollistavat erittäin korkean mittaustarkkuuden, vaikka hyötysuhteen lisääntyminen parantaa merkittävästi supermittarien teknistä suorituskykyä.

On erittäin hyödyllistä käyttää suprajohteita erityisesti sähköhäviöiden vähentämiseksi. Tämä linja ansaitsee maailmanlaajuisen tuen. Esimerkiksi suprajohtavia kaapeleita ei tarvita, koska tunnettujen materiaalien suunnittelukyky on jo käytetty loppuun. Tällaiset lineaariset laitteet ovat houkuttelevia lähinnä siksi, että niitä voidaan käyttää sähköverkkojen häviöiden poistamiseen. Jos suprajohtavia voimalinjoja käytetään laajasti, voidaan saavuttaa valtavia säästöjä polttoaineresursseissa.

Orgaanisten polttoaineiden (öljy, kaasu, hiili) tiedetään loppuneen, ja niiden tuotanto on entistä vaikeampaa. Nykyään energia keskittyy ydinvoimalaitosten ja ydinvoimalaitosten nopeutettuun luomiseen, lämpöydinfuusion kehittämiseen, auringon säteilyenergian käyttöön, merien ja valtamerten lämmölle. Suunnitellut asemat, jotka toimivat vuoroveden ja aaltojen energialla.

Suprajohtajat olisivat luonteeltaan ihanteellisia tähän tarkoitukseen. Uusien kaapeleiden, generaattoreiden ja muuntajan suoneita ei juurikaan kuumenna sähkövirroilla. Ensimmäistä kertaa ihmiset pystyisivät tietoisesti jättämään Joulen häviöt sähkökustannusten tasapainosta. Arvioidaan, että suurten voimalaitosten suprajohtava suorituskyky toisi miljardeja dollareita maahan.

Sähkölaitteiden teknisten ominaisuuksien parantaminen, polttoaineenkulutuksen vähentäminen ja osittain johtojen häviöiden kompensoiminen eivät ole kaikki. Suprajohtajat parantavat ympäristön tilannetta maapallolla! Loppujen lopuksi kaikkien teknisten laitteiden energia muunnetaan lopulta lämmöksi. Maapallon lämmitysnopeus on korkea, ne vastaavat teollisuuden kehitystä. Suprajohtavien sähkölaitteiden laaja käyttöönotto vähentäisi lämmön virtausta ilmakehään, mikä mahdollistaisi, jos ei poista, sitten ainakin heikentää planeetan lämpösaastetta.

Suprajohtajien laajalle levinnyt ongelma sähkötekniikassa on monimutkainen ja monipuolinen, mutta suprajohteiden käytön tulokset fyysisissä ja teollisissa asennuksissa voivat olla valtavia.

Suprajohtavuus on upea ilmiö. Tutkimalla suprajohteiden epätavallisia ja vaikuttavia ominaisuuksia fyysikot tunkeutuvat syvemmälle ja syvemmälle aineen rakenteen salaisuuksiin. Insinöörit pyrkivät tekemään suprajohteista työkalunsa saadakseen ne toimimaan. Suprajohtajien supertask on niiden hyödyllisten ominaisuuksien siirtäminen uuden tekniikan kohteisiin.

Mihail Tšernov