Supergeleiding op hoge temperatuur

Aanvankelijk hadden supergeleiders een zeer beperkte toepassing, omdat hun bedrijfstemperatuur niet hoger zou moeten zijn dan 20K (-253 ° C). De temperatuur van vloeibaar helium bij 4,2 K (-268,8 ° C) is bijvoorbeeld goed geschikt voor de supergeleider om te werken, maar het kost veel energie om zo'n lage temperatuur te koelen en te handhaven, wat technisch zeer problematisch is.

De supergeleiders op hoge temperatuur die in 1986 werden ontdekt door Karl Müller en Georg Bednorets vertoonden een veel hogere kritische temperatuur en de temperatuur van vloeibare stikstof bij 75 K (-198 ° C) voor dergelijke geleiders is voldoende om te werken. Bovendien is stikstof veel goedkoper dan helium als koelmiddel.

De ontdekking in 1987 van een "sprong in geleidbaarheid tot bijna nul" bij een temperatuur van 36K (-237 ° C) voor verbindingen van lanthaan, strontium, koper en zuurstof (La - Sr - Cu - O) was het begin. Vervolgens werd eerst de eigenschap van de yttrium-, barium-, koper- en zuurstofverbindingen (Y - Ba - Cu - O) ontdekt om supergeleidende eigenschappen te vertonen bij een temperatuur van 77,4 K (-195,6 ° C) boven het kookpunt van vloeibare stikstof.

In 2003 werd de keramische verbinding Hg - Ba - Ca - Cu - O (F) ontdekt, die een kritische temperatuur van 138 K (-135 ° C) heeft en 166 K (-107 ° C) bereikt bij een druk van 400 kbar; en in 2015 werd een nieuw record gevestigd voor waterstofsulfide (H2S), dat een supergeleider werd bij een druk van 100 GPa, bij een temperatuur van maximaal 203K (-70 ° C).

Supergeleiding als fysisch fenomeen, eerst op microscopisch niveau, werd verklaard in het werk van de Amerikaanse fysici John Bardin, Leon Cooper en John Shriffer in 1957. Hun theorie was gebaseerd op het concept van de zogenaamde Cooper-elektronenparen, en de theorie zelf werd de BCS-theorie genoemd, volgens de eerste letters van de namen van de auteurs, en tot op de dag van vandaag is deze macroscopische theorie van supergeleiders dominant.

Volgens deze theorie correleren de elektronentoestanden van Cooper-paren met tegengestelde spins en momenta. Tegelijkertijd gebruikte de theorie de zogenaamde transformaties van Nikolai Bogolyubov, die aantoonde dat supergeleiding kan worden beschouwd als een proces van superfluïditeit van een elektronengas.

Nabij het Fermi-oppervlak kunnen elektronen effectief worden aangetrokken door interactie met elkaar via fononen, en alleen die elektronen worden aangetrokken waarvan de energie niet meer dan hVd verschilt van de elektronenenergie op het Fermi-oppervlak (hier Vd is de Debye-frequentie), en de rest van de elektronen reageren niet.

Interactie elektronen en combineren tot Cooper-paren. Deze paren bezitten enkele eigenschappen die karakteristiek zijn voor bosonen, en bosonen kunnen na afkoeling in een enkele kwantumtoestand overgaan. Door deze functie kunnen paren dus bewegen zonder in botsing te komen met het rooster of andere elektronen, dat wil zeggen Cooper-paren bewegen zonder energieverlies.

In de praktijk zorgen hogetemperatuursupergeleiders voor verliesvrije krachtoverbrenging, waardoor hun introductie en gebruik in de toekomst nuttig en efficiënt is. Voedingskabels, transformatoren, elektrische machines, inductieve energieopslag met onbeperkte houdbaarheid, stroombegrenzers, enz. - Supergeleiders op hoge temperatuur zijn overal in de elektrotechniek toepasbaar.

Afmetingen zullen worden verminderd, verliezen zullen worden verminderd, de efficiëntie van productie, transmissie en distributie van elektrische energie als geheel zal toenemen. transformers hebben minder gewicht en zeer lage verliezen, vergeleken met transformatoren met conventionele wikkelingen. Supergeleidende transformatoren zijn milieuvriendelijk, ze hoeven niet te worden gekoeld en in geval van overbelasting is de stroom beperkt.

Supergeleidende stroombegrenzers zijn minder inert. Met de opname van energieopslag en supergeleidende generatoren in elektrische netwerken, zal hun stabiliteit toenemen. De stroomvoorziening van megasteden zal worden uitgevoerd door middel van supergeleidende ondergrondse kabels die tot 5 keer meer stroom kunnen geleiden, en het leggen van dergelijke kabels zal stedelijke gebieden aanzienlijk redden, omdat de kabels compacter zijn in vergelijking met die van vandaag.

Berekeningen laten zien dat bijvoorbeeld het bouwen van een voedingslijn voor 1 GW bij een spanning van 154 kV, als supergeleidende kabels worden gebruikt, 38% goedkoper zal zijn dan wanneer deze met standaardtechnologie zou worden geïmplementeerd. En dit houdt rekening met het ontwerp en de installatie, omdat het aantal benodigde schroefdraden kleiner is, het totale aantal kabels kleiner is en de binnendiameter van de leidingen ook kleiner is.

Het is opmerkelijk dat een aanzienlijk vermogen kan worden overgedragen via een supergeleidende kabel, zelfs bij lage spanning, verminderend elektromagnetische vervuiling, en dit geldt voor dichtbevolkte gebieden, waar het leggen van hoogspanningslijnen zorgen baart, zowel bij ecologen als bij het publiek.

De introductie van hogetemperatuursupergeleiders op het gebied van alternatieve energie is ook veelbelovend, waarbij winstgevendheid geenszins een secundaire factor is en het gebruik van supergeleiders hier de efficiëntie van nieuwe bronnen zal verhogen. Bovendien is er de komende 20 jaar een gestage neiging tot een snelle ontwikkeling in de wereld.