Was wäre, wenn ... wir Hochtemperatur-Supraleiter bekommen würden? Bindungen der Hoffnung

Verlustfreie Stromleitungen, Niedertemperatur-Elektrotechnik, Superelektromagnete, die in Fusionsreaktoren endlich Millionen Grad Plasma sanft verdichten, eine leise und schnelle Magnetschwebebahn. Wir haben so viel Hoffnung in Supraleiter ...

Supraleitung Man nennt den materiellen Zustand den elektrischen Widerstand Null. Dies wird bei einigen Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen erreicht. Er entdeckte dieses Quantenphänomen Camerling Onnes (1) in Quecksilber, im Jahr 1911. Die klassische Physik kommt mit seiner Beschreibung nicht zurecht. Neben dem Nullwiderstand ist ein weiteres wichtiges Merkmal von Supraleitern verdrängt das Magnetfeld aus seinem Volumender sogenannte Meissner-Effekt (in Supraleitern vom Typ I) oder die Fokussierung des Magnetfelds in „Wirbel“ (in Supraleitern vom Typ II).

Die meisten Supraleiter funktionieren nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Es wird mit 0 Kelvin (-273,15 °C) angegeben. Atomare Bewegung Bei dieser Temperatur gibt es fast keine. Dies ist der Schlüssel zu Supraleitern. Wie gewöhnlich Elektronen Die Bewegung in einem Leiter kollidiert mit anderen schwingenden Atomen und verursacht Energieverlust und Widerstand. Wir wissen jedoch, dass Supraleitung bei höheren Temperaturen möglich ist. Nach und nach entdecken wir Materialien, die diesen Effekt bei niedrigeren Minusgraden und neuerdings sogar bei Plusgraden zeigen. Allerdings ist auch hier meist die Anwendung eines extrem hohen Drucks erforderlich. Der größte Traum besteht darin, diese Technologie bei Raumtemperatur und ohne enormen Druck zu entwickeln.

Die physikalische Grundlage für das Auftreten des Zustands der Supraleitung ist Bildung von Lastgreiferpaaren - die sogenannte Cooper. Solche Paare können durch die Kombination zweier Elektronen mit ähnlicher Energie entstehen Fermi-Energie, d.h. die kleinste Energie, um die sich die Energie eines fermionischen Systems nach Hinzufügung eines weiteren Elements erhöht, selbst wenn die Energie der sie verbindenden Wechselwirkung sehr klein ist. Dadurch verändern sich die elektrischen Eigenschaften des Materials, da einzelne Träger Fermionen und Paare Bosonen sind.

Kooperieren Daher handelt es sich um ein System aus zwei Fermionen (z. B. Elektronen), die über Kristallgitterschwingungen, sogenannte Phononen, miteinander interagieren. Das Phänomen wurde beschrieben Leona kooperiert im Jahr 1956 und ist Teil der BCS-Theorie der Niedertemperatursupraleitung. Die Fermionen, aus denen ein Cooper-Paar besteht, haben halbe Spins (die in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind), aber der resultierende Spin des Systems ist voll, d. h. das Cooper-Paar ist ein Boson.

Einige Elemente sind bei bestimmten Temperaturen supraleitend, zum Beispiel Cadmium, Zinn, Aluminium, Iridium, Platin, andere gehen erst bei sehr hohem Druck (zum Beispiel Sauerstoff, Phosphor, Schwefel, Germanium, Lithium) oder in den Zustand der Supraleitung über Sie bestehen aus dünnen Schichten (Wolfram, Beryllium, Chrom) und einige können noch nicht supraleitend sein, wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Gold, Edelgase, Wasserstoff, obwohl Gold, Silber und Kupfer bei Raumtemperatur zu den besten Leitern gehören.

„Hohe Temperatur“ erfordert immer noch sehr niedrige Temperaturen

In 1964 Jahr William A. Little schlug die Möglichkeit der Existenz von Hochtemperatursupraleitung vor organische Polymere. Dieser Vorschlag basiert auf der Exzitonen-vermittelten Elektronenpaarung, im Gegensatz zur Phononen-vermittelten Paarung in der BCS-Theorie. Mit dem Begriff „Hochtemperatursupraleiter“ wurde eine neue Keramikfamilie mit Perowskitstruktur beschrieben, die von Johannes G. Bednorz und K.A. entdeckt wurde. Müller im Jahr 1986, wofür sie den Nobelpreis erhielten. Diese neuen keramischen Supraleiter (2) wurden aus Kupfer und Sauerstoff hergestellt, gemischt mit anderen Elementen wie Lanthan, Barium und Wismut.

2. Keramikplatte schwebt über starken Magneten

Aus unserer Sicht war die „Hochtemperatur“-Supraleitung noch sehr gering. Bei Normaldrücken lag die Grenze bei -140 °C, und selbst solche Supraleiter wurden „Hochtemperatur“ genannt. Die Supraleitungstemperatur von -70 °C für Schwefelwasserstoff wurde bei extrem hohen Drücken erreicht. Allerdings benötigen Hochtemperatur-Supraleiter zur Kühlung relativ billigen flüssigen Stickstoff und nicht das lebenswichtige flüssige Helium.

Andererseits handelt es sich meist um spröde Keramik, was für den Einsatz in elektrischen Systemen nicht sehr praktisch ist.

Wissenschaftler glauben immer noch, dass es eine bessere Option gibt, die darauf wartet, entdeckt zu werden, ein neues bemerkenswertes Material, das Kriterien wie erfüllt Supraleitung bei Raumtemperatur, erschwinglich und praktisch in der Anwendung. Einige Forschungen haben sich auf Kupfer konzentriert, einen komplexen Kristall, der Schichten aus Kupfer- und Sauerstoffatomen enthält. Die Forschung geht weiter zu einigen anormalen, aber wissenschaftlich unerklärlichen Berichten, dass mit Wasser getränkter Graphit bei Raumtemperatur als Supraleiter wirken kann.

Die letzten Jahre waren eine wahre Flut von „Revolutionen“, „Durchbrüchen“ und „neuen Kapiteln“ auf dem Gebiet der Supraleitung bei höheren Temperaturen. Im Oktober 2020 wurde über Supraleitung bei Raumtemperatur (bei 15 °C) berichtet Schwefelkohlenstoffhydrid (3), allerdings bei einem sehr hohen Druck (267 GPa), der vom grünen Laser erzeugt wird. Der Heilige Gral, ein relativ billiges Material, das bei Raumtemperatur und Normaldruck supraleitend ist, muss noch gefunden werden.

3. Material auf Kohlenstoffbasis, das bei 15 °C supraleitend ist.

Beginn des magnetischen Zeitalters

Die Liste möglicher Anwendungen von Hochtemperatursupraleitern kann mit Elektronik und Computertechnik, Logikgeräten, Speicherelementen, Schaltern und Verbindungen, Generatoren, Verstärkern und Teilchenbeschleunigern beginnen. Als nächstes auf der Liste: hochempfindliche Geräte zur Messung magnetischer Felder, Spannungen oder Ströme, Magnete für medizinische MRT-Geräte, magnetische Energiespeicher, schwebende Hochgeschwindigkeitszüge, Motoren, Generatoren, Transformatoren und Stromleitungen. Die Hauptvorteile dieser supraleitenden Traumgeräte sind eine geringe Verlustleistung, eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und vieles mehr extreme Empfindlichkeit.

Für Supraleiter. Es gibt einen Grund, warum Kraftwerke oft in der Nähe von geschäftigen Städten gebaut werden. Sogar 30 Prozent. von ihnen geschaffen Elektrische Energie Es kann auf Übertragungsleitungen verloren gehen. Dies ist ein häufiges Problem bei Elektrogeräten. Der Großteil der Energie wird für Wärme aufgewendet. Daher wird ein erheblicher Teil der Oberfläche des Computers für die Kühlung von Komponenten verwendet, die dazu beitragen, die von den Schaltkreisen erzeugte Wärme abzuleiten.

Supraleiter lösen das Problem des Energieverlusts durch Wärme. Im Rahmen von Experimenten gelingt es beispielsweise Wissenschaftlern, ihren Lebensunterhalt zu verdienen elektrischer Strom in einem supraleitenden Ring mehr als zwei Jahre. Und das ohne zusätzliche Energie.

Der einzige Grund, warum der Strom aufhörte, war, dass es keinen Zugang zu flüssigem Helium gab, und nicht, weil der Strom nicht weiter fließen konnte. Unsere Experimente lassen uns glauben, dass Ströme in supraleitenden Materialien Hunderttausende von Jahren, wenn nicht sogar länger, fließen können. Elektrischer Strom in Supraleitern kann ewig fließen und Energie kostenlos übertragen.

в kein Widerstand Durch den supraleitenden Draht könnte ein großer Strom fließen, der wiederum Magnetfelder von unglaublicher Stärke erzeugt. Mit ihnen können Magnetschwebebahnen schweben gelassen werden (4), die bereits Geschwindigkeiten von bis zu 600 km/h erreichen und darauf basieren supraleitende Magnete. Oder nutzen Sie sie in Kraftwerken und ersetzen Sie herkömmliche Methoden, bei denen Turbinen in Magnetfeldern gedreht werden, um Strom zu erzeugen. Leistungsstarke supraleitende Magnete könnten helfen, Kernfusionsreaktionen zu kontrollieren. Der supraleitende Draht kann als idealer Energiespeicher anstelle einer Batterie fungieren, und das Potenzial des Systems bleibt für tausend und eine Million Jahre erhalten.

In Quantencomputern kann man in einem Supraleiter im oder gegen den Uhrzeigersinn fließen. Schiffs- und Automotoren wären zehnmal kleiner als heute und teure medizinische Diagnose-MRT-Geräte würden in Ihre Handfläche passen. Solarenergie, die von Farmen in weiten Wüstengebieten auf der ganzen Welt gesammelt wird, kann verlustfrei gespeichert und übertragen werden.

4. Japanische Magnetschwebebahn

Laut dem Physiker und berühmten Popularisierer der Wissenschaft, KakuTechnologien wie Supraleiter werden eine neue Ära einläuten. Wenn wir noch im Zeitalter der Elektrizität leben würden, würden Supraleiter bei Raumtemperatur das Zeitalter des Magnetismus mit sich bringen.