E se... otteniamo superconduttori ad alta temperatura? Vincoli di speranza

Linee di trasmissione senza perdite, ingegneria elettrica a bassa temperatura, superelettromagneti, infine la compressione delicata di milioni di gradi di plasma nei reattori termonucleari, un binario a levitazione magnetica silenzioso e veloce. Abbiamo così tante speranze per i superconduttori...

Superconduttività viene chiamato lo stato materiale di resistenza elettrica zero. Ciò si ottiene in alcuni materiali a temperature molto basse. Ha scoperto questo fenomeno quantistico Kamerling Onnes (1) nel mercurio, nel 1911. La fisica classica non riesce a descriverlo. Oltre alla resistenza zero, un'altra caratteristica importante dei superconduttori è spingere il campo magnetico fuori dal suo volumeil cosiddetto effetto Meissner (nei superconduttori di tipo I) o la focalizzazione del campo magnetico in "vortici" (nei superconduttori di tipo II).

La maggior parte dei superconduttori funziona solo a temperature vicine allo zero assoluto. Si dice che sia 0 Kelvin (-273,15 °C). Il movimento degli atomi a questa temperatura è quasi inesistente. Questa è la chiave per i superconduttori. Come di solito elettroni muovendosi nel conduttore si scontrano con altri atomi vibranti, provocando perdita di energia e resistenza. Tuttavia, sappiamo che la superconduttività è possibile a temperature più elevate. A poco a poco, stiamo scoprendo materiali che mostrano questo effetto a meno gradi Celsius e recentemente anche a più. Tuttavia, anche questo è solitamente associato all'applicazione di pressioni estremamente elevate. Il sogno più grande è creare questa tecnologia a temperatura ambiente senza una pressione gigantesca.

La base fisica per la comparsa dello stato di superconduttività è formazione di coppie di benna cargo - il cosidetto Bottaio. Tali coppie possono sorgere come risultato dell'unione di due elettroni con energie simili. Energia di Fermi, cioè. la più piccola energia di cui l'energia di un sistema fermionico aumenterà dopo l'aggiunta di un altro elemento, anche quando l'energia dell'interazione che li lega è molto piccola. Questo cambia le proprietà elettriche del materiale, poiché i singoli portatori sono fermioni e le coppie sono bosoni.

Cooperare pertanto, è un sistema di due fermioni (ad esempio elettroni) che interagiscono tra loro attraverso vibrazioni del reticolo cristallino, dette fononi. Il fenomeno è stato descritto Leon collabora nel 1956 e fa parte della teoria BCS della superconduttività a bassa temperatura. I fermioni che compongono la coppia di Cooper hanno mezzi spin (che sono diretti in direzioni opposte), ma lo spin risultante del sistema è pieno, cioè la coppia di Cooper è un bosone.

I superconduttori a determinate temperature sono alcuni elementi, ad esempio cadmio, stagno, alluminio, iridio, platino, altri passano allo stato di superconduttività solo a pressioni molto elevate (ad esempio ossigeno, fosforo, zolfo, germanio, litio) o nel forma di strati sottili (tungsteno, berillio, cromo) e alcuni potrebbero non essere ancora superconduttori, come argento, rame, oro, gas nobili, idrogeno, sebbene oro, argento e rame siano tra i migliori conduttori a temperatura ambiente.

"Alta temperatura" richiede ancora temperature molto basse

Nell'anno 1964 William A. Piccolo ha suggerito la possibilità dell'esistenza di superconduttività ad alta temperatura in polimeri organici. Questa proposta si basa sull'accoppiamento di elettroni mediato da eccitoni in contrapposizione all'accoppiamento mediato da fononi nella teoria BCS. Il termine "superconduttori ad alta temperatura" è stato utilizzato per descrivere una nuova famiglia di ceramiche strutturate in perovskite scoperta da Johannes G. Bednorz e C.A. Müller nel 1986, per il quale hanno ricevuto il Premio Nobel. Questi nuovi superconduttori ceramici (2) erano costituiti da rame e ossigeno mescolati con altri elementi come lantanio, bario e bismuto.

2. Piatto in ceramica sospeso su potenti magneti

Dal nostro punto di vista, la superconduttività "ad alta temperatura" era ancora molto bassa. Per pressioni normali, il limite era -140°C, e anche tali superconduttori erano chiamati "alta temperatura". La temperatura di superconduttività di -70°C per l'idrogeno solforato è stata raggiunta a pressioni estremamente elevate. Tuttavia, i superconduttori ad alta temperatura richiedono azoto liquido relativamente economico piuttosto che elio liquido per il raffreddamento, che è essenziale.

Si tratta invece perlopiù di ceramica friabile, poco pratica per l'utilizzo negli impianti elettrici.

Gli scienziati credono ancora che ci sia un'opzione migliore in attesa di essere scoperta, un nuovo meraviglioso materiale che soddisferà criteri come superconduttività a temperatura ambienteconveniente e pratico da usare. Alcune ricerche si sono concentrate sul rame, un cristallo complesso che contiene strati di rame e atomi di ossigeno. La ricerca continua su alcuni rapporti anomali ma scientificamente inspiegabili secondo cui la grafite imbevuta d'acqua può agire come superconduttore a temperatura ambiente.

Gli ultimi anni sono stati un vero e proprio flusso di "rivoluzioni", "scoperte" e "nuovi capitoli" nel campo della superconduttività a temperature più elevate. Nell'ottobre 2020 è stata segnalata la superconduttività a temperatura ambiente (a 15°C). disolfuro di carbonio idruro (3), invece, ad altissima pressione (267 GPa) generata dal laser verde. Il Santo Graal, che sarebbe un materiale relativamente economico che sarebbe superconduttivo a temperatura ambiente e pressione normale, deve ancora essere trovato.

3. Materiale a base di carbonio superconduttivo a 15°C.

L'alba dell'era magnetica

L'enumerazione delle possibili applicazioni dei superconduttori ad alta temperatura può iniziare con elettronica e computer, dispositivi logici, elementi di memoria, interruttori e connessioni, generatori, amplificatori, acceleratori di particelle. Avanti della lista: dispositivi ad alta sensibilità per la misura di campi magnetici, tensioni o correnti, magneti per Dispositivi medici per risonanza magnetica, dispositivi magnetici di accumulo di energia, treni proiettili levitanti, motori, generatori, trasformatori e linee elettriche. I principali vantaggi di questi dispositivi superconduttori da sogno saranno la bassa dissipazione di potenza, il funzionamento ad alta velocità e estrema sensibilità.

per superconduttori. C'è un motivo per cui le centrali elettriche sono spesso costruite vicino a città trafficate. Anche il 30 per cento. creato da loro Energia elettrica potrebbe essere perso sulle linee di trasmissione. Questo è un problema comune con gli elettrodomestici. La maggior parte dell'energia va al riscaldamento. Pertanto, una parte significativa della superficie del computer è riservata alle parti di raffreddamento che aiutano a dissipare il calore generato dai circuiti.

I superconduttori risolvono il problema delle perdite di energia per il calore. Nell'ambito degli esperimenti, gli scienziati, ad esempio, riescono a guadagnarsi da vivere corrente elettrica all'interno dell'anello superconduttore oltre due anni. E questo senza ulteriore energia.

L'unico motivo per cui la corrente si è interrotta era perché non c'era accesso all'elio liquido, non perché la corrente non potesse continuare a fluire. I nostri esperimenti ci portano a credere che le correnti nei materiali superconduttori possano fluire per centinaia di migliaia di anni, se non di più. La corrente elettrica nei superconduttori può fluire per sempre, trasferendo energia gratuitamente.

в nessuna resistenza un'enorme corrente potrebbe fluire attraverso il filo superconduttore, che a sua volta genera campi magnetici di incredibile potenza. Possono essere utilizzati per far levitare i treni a levitazione magnetica (4), che possono già raggiungere velocità fino a 600 km/h e si basano su magneti superconduttori. Oppure usarli nelle centrali elettriche, sostituendo i metodi tradizionali in cui le turbine ruotano in campi magnetici per generare elettricità. Potenti magneti superconduttori potrebbero aiutare a controllare la reazione di fusione. Un filo superconduttore può fungere da dispositivo di accumulo di energia ideale, piuttosto che da batteria, e il potenziale nel sistema sarà preservato per mille e un milione di anni.

Nei computer quantistici, puoi scorrere in senso orario o antiorario in un superconduttore. I motori delle navi e delle automobili sarebbero dieci volte più piccoli di quelli attuali e costose macchine per la risonanza magnetica diagnostica medica starebbero nel palmo della tua mano. Raccolta dalle fattorie nei vasti deserti desertici di tutto il mondo, l'energia solare può essere immagazzinata e trasferita senza alcuna perdita.

4. Treno maglev giapponese

Secondo il fisico e famoso divulgatore della scienza, Kakutecnologie come i superconduttori introdurranno una nuova era. Se vivessimo ancora nell'era dell'elettricità, i superconduttori a temperatura ambiente porterebbero con sé l'era del magnetismo.