Superconduttività ad alta temperatura

Inizialmente, i superconduttori avevano un'applicazione molto limitata, poiché la loro temperatura di esercizio non dovrebbe superare i 20 K (-253 ° C). Ad esempio, la temperatura dell'elio liquido a 4,2 K (-268,8 ° C) è adatta per far funzionare il superconduttore, ma ci vuole molta energia per raffreddare e mantenere una temperatura così bassa, che è tecnicamente molto problematica.

I superconduttori ad alta temperatura scoperti nel 1986 da Karl Müller e Georg Bednorets hanno mostrato una temperatura critica molto più elevata, e la temperatura dell'azoto liquido a 75K (-198 ° C) per tali conduttori è abbastanza per il funzionamento. Inoltre, l'azoto è molto più economico dell'elio come refrigerante.

La scoperta nel 1987 di un "salto di conduttività a quasi zero" a una temperatura di 36 K (-237 ° C) per composti di lantanio, stronzio, rame e ossigeno (La - Sr - Cu - O) fu l'inizio. Quindi, la proprietà dei composti di ittrio, bario, rame e ossigeno (Y - Ba - Cu - O) per mostrare proprietà superconduttive ad una temperatura di 77,4 K (-195,6 ° C) al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido.

Nel 2003 è stato scoperto il composto ceramico Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), che ha una temperatura critica di 138 K (-135 ° C) e raggiunge 166 K (-107 ° C) ad una pressione di 400 kbar; e nel 2015 è stato stabilito un nuovo record per l'idrogeno solforato (H2S), che è diventato un superconduttore ad una pressione di 100 GPa, a una temperatura non superiore a 203K (-70 ° C).

La superconduttività come fenomeno fisico, prima a livello microscopico, fu spiegata nel lavoro dei fisici americani John Bardin, Leon Cooper e John Shriffer nel 1957. La loro teoria si basava sul concetto delle cosiddette coppie di elettroni di Cooper e la teoria stessa era chiamata teoria BCS, secondo le prime lettere dei nomi dei suoi autori, e fino ad oggi questa teoria macroscopica dei superconduttori è dominante.

Secondo questa teoria, gli stati elettronici delle coppie di Cooper sono correlati con spin opposti e momenti. Allo stesso tempo, la teoria ha utilizzato le cosiddette trasformazioni di Nikolai Bogolyubov, che ha dimostrato che la superconduttività può essere considerata come un processo di superfluidità di un gas elettronico.

Vicino alla superficie di Fermi, gli elettroni possono essere effettivamente attratti interagendo tra loro tramite i fononi e solo quegli elettroni sono attratti la cui energia differisce dall'energia degli elettroni sulla superficie di Fermi per non più di hVd (qui Vd è la frequenza di Debye) e il resto degli elettroni non interagiscono.

Elettroni interagenti e si combinano in coppie di Cooper. Queste coppie possiedono alcune proprietà caratteristiche dei bosoni e i bosoni possono passare in un singolo stato quantico dopo il raffreddamento. Pertanto, grazie a questa funzione, le coppie possono muoversi senza scontrarsi con il reticolo o altri elettroni, ovvero le coppie di Cooper si muovono senza perdita di energia.

In pratica, i superconduttori ad alta temperatura forniscono una trasmissione di potenza senza perdite, il che rende la loro introduzione e utilizzo in futuro utili ed efficienti. Cavi di alimentazione, trasformatori, macchine elettriche, accumulo di energia induttiva con durata illimitata, limitatori di corrente, ecc. - I superconduttori ad alta temperatura sono applicabili ovunque nell'ingegneria elettrica.

Le dimensioni saranno ridotte, le perdite saranno ridotte, aumenterà l'efficienza della produzione, della trasmissione e della distribuzione dell'energia elettrica nel suo insieme. trasformatori avrà meno peso e perdite molto basse, rispetto ai trasformatori con avvolgimenti convenzionali. I trasformatori superconduttori saranno ecologici, non dovranno essere raffreddati e, in caso di sovraccarico, la corrente sarà limitata.

I limitatori di corrente superconduttori sono meno inerziali. Con l'inclusione di accumulo di energia e generatori di superconduttori nelle reti elettriche, la loro stabilità aumenterà. L'alimentazione delle megalopoli sarà effettuata mediante cavi sotterranei superconduttori che possono condurre fino a 5 volte più corrente e la posa di tali cavi salverà significativamente le aree urbane, poiché i cavi saranno più compatti rispetto a quelli utilizzati oggi.

I calcoli mostrano che, ad esempio, la costruzione di una linea elettrica per 1 GW a una tensione di 154 kV, se si utilizzano cavi superconduttori, costerà il 38% in meno rispetto a se implementata utilizzando la tecnologia standard. E questo sta prendendo in considerazione la progettazione e l'installazione, poiché il numero di fili richiesto è inferiore, rispettivamente, il numero totale di cavi è inferiore e anche il diametro interno dei condotti è inferiore.

È interessante notare che una potenza significativa può essere trasmessa attraverso un cavo superconduttore anche a bassa tensione, riducendo inquinamento elettromagnetico, e questo vale per le aree densamente popolate, dove la posa di linee ad alta tensione è fonte di preoccupazione, sia tra gli ecologi che tra il pubblico.

Anche l'introduzione di superconduttori ad alta temperatura nel campo dell'energia alternativa è promettente, dove la redditività non è affatto un fattore secondario e l'uso di superconduttori aumenterà l'efficienza di nuove fonti. Inoltre, per i prossimi 20 anni, c'è una tendenza costante verso il loro rapido sviluppo nel mondo.