Supergeleiding in de elektriciteitsindustrie. Deel 2. De toekomst van supergeleiders

Op het eerste gezicht lijken nieuwe materialen, supergeleiders, voordelig te zijn om bijna overal te gebruiken waar magnetische velden en elektrische stromen worden gebruikt. Maar is dat zo?

Om door veel technische werken met supergeleiders te navigeren, moet worden bedacht dat er helemaal geen supergeleiders zijn. Dit zijn de gebruikelijke metalen die iedereen kent, onder speciale omstandigheden met ongebruikelijke eigenschappen.

Aluminium geleidt bijvoorbeeld elektrische stroom goed bij kamertemperatuur en wordt daarom als een van de beste geleiders beschouwd. Het magnetische veld daarin is enigszins verbeterd: dergelijke materialen worden paramagneten genoemd. Aluminium laat perfect warmte door, wat betekent dat het als een warmtegeleider kan worden beschouwd.

Bij koeling tot extreem lage temperaturen veranderen de eigenschappen van sommige metalen aanzienlijk. Voor hetzelfde aluminium bijvoorbeeld, bij temperaturen onder 272 ° C, verdwijnt de elektrische weerstand en neemt de geleidbaarheid toe tot oneindig (supergeleider). Maar de thermische geleidbaarheid van het materiaal verslechtert bijna net zo erg (warmte-isolator). Het magnetische veld is volledig verplaatst van het monster (ideale diamagnet). Maar dit is niet genoeg: het is mogelijk om de kwantumeigenschappen van een materiaal te registreren, die zich bij gewone temperaturen indirect manifesteren.

Metalen die een dergelijke onverwachte combinatie van kwaliteiten vertonen, worden gewoonlijk supergeleiders genoemd, maar de beperkingen van deze naam mogen niet worden vergeten. Verminderde thermische geleidbaarheid van nieuwe materialen wordt nog steeds zelden gebruikt. Diamagnetisme van supergeleiders wordt al doelbewust toegepast. Kwantumeigenschappen vormden de basis van de werking van vele ultraprecieze meetinstrumenten.

Niettemin zijn de belangen van de meeste onderzoekers in het beginstadium van de ontwikkeling van een nieuw fenomeen gericht op het gebruik van de oneindig grote geleidbaarheid van supergeleiders.

Vooral met succes gemaakt en gebruikt zijn supergeleidende magnetische systemen voor verschillende doeleinden. Inderdaad, door gewone geleiders, als gevolg van overmatige warmteontwikkeling, kunnen te hoge stromen niet worden doorgegeven. Zodra de elektrische weerstand is verdwenen, kunnen de stroomdichtheden aanzienlijk worden verhoogd. Dit werd gebruikt door natuurkundigen: immers, hoe hoger de stroom, hoe sterker het magnetische veld. Supergeleiders kunnen extreem sterke elektromagneten maken. Daarom is de magnetische richting van technische supergeleiding al jaren bepalend geworden!

Het lijdt geen twijfel dat de apparatuur de komende decennia nieuwe eenheden met verbeterde eigenschappen zal ontvangen. Nieuwe versnellers, treinen met magnetische ophanging met elektromagnetische tractie, grote generatoren met een supergeleidende rotor worden gecreëerd. Er worden steeds krachtigere tokamak-modellen gebouwd, het is ongelooflijk dat industriële thermonucleaire reactoren zullen verschijnen tijdens de levensduur van onze generatie, die niet kunnen worden gecreëerd zonder supergeleiders. Over een paar jaar zullen in gebouwen waar grote verbruikers van elektriciteit zijn gevestigd, enorme torusvormige spoelen kunnen worden gestroomlijnd, gestroomlijnd door stromen, ontworpen om autonoom elektriciteit te leveren aan lokale installaties.

Het is nuttig om elektrotechnische structuren te verbeteren en hun technische mogelijkheden uit te breiden. Maar, misschien nog belangrijker, een andere taak is om de verliezen als gevolg van verwarming van geleiders gestroomlijnd door elektrische stromen te verwijderen. Natuurlijk hebben we het niet over huishoudelijke elektrische bedrading, het is voldoende om supergeleiders te gebruiken voor stroomvoerende geleiders van grote elektrische installaties.

De afwezigheid van verliezen in de draden bevordert het creëren van supergeleidende magnetische systemen en cryo-elektronische apparatuur.Maar toch, nieuwe elektromagneten zijn niet gebouwd om verliezen te verminderen, maar om voorheen onbereikbare magnetische velden te creëren. En apparaten op basis van supergeleiders maken het mogelijk om een ​​extreem hoge meetnauwkeurigheid te verkrijgen, hoewel een verhoging van de efficiëntie de technische prestaties van supermeters aanzienlijk verbetert.

Het is uiterst voordelig om supergeleiders te gebruiken, specifiek om elektrische verliezen te verminderen. Dit werk verdient wereldwijde ondersteuning. Supergeleidende kabels zijn bijvoorbeeld niet nodig omdat de ontwerpmogelijkheden van bekende materialen al zijn uitgeput. Dergelijke lineaire apparaten zijn vooral aantrekkelijk omdat ze kunnen worden gebruikt om verliezen in elektrische netwerken te elimineren. Als supergeleidende stroomleidingen op grote schaal worden toegepast, kunnen enorme besparingen in brandstofbronnen worden bereikt.

Het is bekend dat organische brandstoffen (olie, gas, steenkool) opraken, hun productie wordt steeds moeilijker. Tegenwoordig is energie gericht op de versnelde oprichting van kerncentrales en kerncentrales, op de ontwikkeling van thermonucleaire fusie, op het gebruik van zonne-stralingsenergie, de hitte van de zeeën en oceanen. Ontworpen stations die werken op de energie van getijden en golven.

Supergeleiders zijn van nature ideaal voor dit doel. De aders van nieuwe kabels, generatoren en transformatoren zullen immers niet worden verwarmd door elektrische stromen. Voor het eerst zouden mensen Joule-verliezen bewust kunnen uitsluiten van de balans van elektrische kosten. Geschat wordt dat de supergeleidende prestaties van grote energiecentrales miljarden dollars naar het land zouden brengen.

Het verbeteren van de technische kenmerken van elektrische apparatuur, het verlagen van het brandstofverbruik en het gedeeltelijk compenseren van verliezen in geleiders is niet alles. Supergeleiders zullen de milieusituatie op de wereld verbeteren! De energie van alle technische apparaten wordt immers uiteindelijk omgezet in warmte. De opwarmsnelheid van de planeet is hoog, ze komen overeen met het tempo van industriële ontwikkeling. De wijdverbreide introductie van supergeleidende elektrische apparatuur zou de instroom van warmte in de atmosfeer verminderen, waardoor de thermische vervuiling van de planeet mogelijk althans wordt geëlimineerd.

Het probleem van de brede acceptatie van supergeleiders in de elektrotechniek is complex en divers, maar de resultaten van het gebruik van supergeleiders in fysieke en industriële installaties kunnen enorm zijn.

Supergeleiding is een prachtig fenomeen. Natuurkundigen bestuderen de ongewone en indrukwekkende eigenschappen van supergeleiders en dringen dieper en dieper door in de geheimen van de structuur van de materie. Ingenieurs streven ernaar om supergeleiders hun gereedschap te maken, om ze te laten werken. De supertask voor supergeleiders is de overdracht van hun nuttige eigenschappen naar objecten van nieuwe technologie.

Mikhail Chernov