Què passa si... aconseguim superconductors d'alta temperatura? Lligams d'esperança
Línies de transmissió sense pèrdues, enginyeria elèctrica a baixa temperatura, superelectroimants, finalment comprimint suaument milions de graus de plasma en reactors termonuclears, un carril maglev silenciós i ràpid. Tenim tantes esperances per als superconductors...
Superconductivitat s'anomena l'estat material de resistència elèctrica zero. Això s'aconsegueix en alguns materials a temperatures molt baixes. Va descobrir aquest fenomen quàntic Kamerling Onnes (1) en el mercuri, el 1911. La física clàssica no el descriu. A més de la resistència zero, una altra característica important dels superconductors és expulsar el camp magnètic del seu voluml'anomenat efecte Meissner (en els superconductors de tipus I) o l'enfocament del camp magnètic en "vòrtexs" (en els superconductors de tipus II).
La majoria dels superconductors només funcionen a temperatures properes al zero absolut. S'informa que és de 0 Kelvin (-273,15 °C). El moviment dels àtoms a aquesta temperatura és gairebé inexistent. Aquesta és la clau dels superconductors. Normalment electrons movent-se en el conductor xoquen amb altres àtoms en vibració, provocant pèrdua d'energia i resistència. Tanmateix, sabem que la superconductivitat és possible a temperatures més altes. A poc a poc, anem descobrint materials que mostren aquest efecte a menys centígrads inferiors, i recentment fins i tot a més. Tanmateix, això de nou s'associa amb l'aplicació d'una pressió extremadament alta. El somni més gran és crear aquesta tecnologia a temperatura ambient sense pressió gegant.
La base física per a l'aparició de l'estat de superconductivitat és formació de parelles d'agafadors de càrrega - l'anomenat Cooper. Aquests parells poden sorgir com a resultat de la unió de dos electrons amb energies similars. Energia Fermi, és a dir l'energia més petita amb la qual augmentarà l'energia d'un sistema fermiònic després de l'addició d'un element més, fins i tot quan l'energia de la interacció que els uneix és molt petita. Això canvia les propietats elèctriques del material, ja que els portadors individuals són fermions i els parells són bosons.
Cooperar per tant, és un sistema de dos fermions (per exemple, electrons) que interactuen entre ells mitjançant vibracions de la xarxa cristal·lina, anomenades fonons. S'ha descrit el fenomen La Leona col·labora el 1956 i forma part de la teoria BCS de la superconductivitat a baixa temperatura. Els fermions que formen el parell de Cooper tenen mig espins (que es dirigeixen en direccions oposades), però el spin resultant del sistema és ple, és a dir, el parell de Cooper és un bosó.
Els superconductors a determinades temperatures són alguns elements, per exemple, cadmi, estany, alumini, iridi, platí, altres passen a l'estat de superconductivitat només a molt alta pressió (per exemple, oxigen, fòsfor, sofre, germani, liti) o en el forma de capes fines (tungstè, beril·li, crom), i algunes potser encara no són superconductores, com ara plata, coure, or, gasos nobles, hidrogen, tot i que l'or, la plata i el coure es troben entre els millors conductors a temperatura ambient.
"Temperatura alta" encara requereix temperatures molt baixes
L'any 1964 William A. Little va suggerir la possibilitat de l'existència de superconductivitat a alta temperatura polímers orgànics. Aquesta proposta es basa en l'aparellament d'electrons mediat per excitons en contraposició a l'aparellament mediat per fonons en la teoria BCS. El terme "superconductors d'alta temperatura" s'ha utilitzat per descriure una nova família de ceràmiques estructurades amb perovskita descobertes per Johannes G. Bednorz i C.A. Müller el 1986, pel qual van rebre el Premi Nobel. Aquests nous superconductors ceràmics (2) estaven fets de coure i oxigen barrejat amb altres elements com el lantà, el bari i el bismut.
2. Placa de ceràmica flotant sobre imants potents
Des del nostre punt de vista, la superconductivitat "a alta temperatura" encara era molt baixa. Per a pressions normals, el límit era de -140 °C, i fins i tot aquests superconductors es van anomenar "alta temperatura". La temperatura de superconductivitat de -70 °C per al sulfur d'hidrogen s'ha assolit a pressions extremadament altes. Tanmateix, els superconductors d'alta temperatura requereixen nitrogen líquid relativament barat en lloc d'heli líquid per refredar-se, que és essencial.
D'altra banda, és majoritàriament ceràmica trencadissa, poc pràctic per al seu ús en sistemes elèctrics.
Els científics encara creuen que hi ha una millor opció pendent de ser descoberta, un material nou meravellós que complirà criteris com ara superconductivitat a temperatura ambientassequible i pràctic d'utilitzar. Algunes investigacions s'han centrat en el coure, un cristall complex que conté capes d'àtoms de coure i oxigen. La investigació continua sobre alguns informes anòmals però científicament inexplicables que el grafit amarat d'aigua pot actuar com a superconductor a temperatura ambient.
Els darrers anys han estat un autèntic corrent de "revolucions", "avenços" i "nous capítols" en el camp de la superconductivitat a temperatures més altes. A l'octubre de 2020, es va informar de la superconductivitat a temperatura ambient (a 15 °C). hidrur de disulfur de carboni (3), però, a una pressió molt alta (267 GPa) generada pel làser verd. Encara no s'ha trobat el Sant Grial, que seria un material relativament barat que seria superconductor a temperatura ambient i pressió normal.
3. Material a base de carboni que és superconductor a 15°C.
Alba de l'era magnètica
L'enumeració de les possibles aplicacions dels superconductors d'alta temperatura pot començar amb electrònica i ordinadors, dispositius lògics, elements de memòria, interruptors i connexions, generadors, amplificadors, acceleradors de partícules. A continuació a la llista: dispositius altament sensibles per mesurar camps magnètics, tensions o corrents, imants per Dispositius mèdics per ressonància magnètica, dispositius d'emmagatzematge d'energia magnètica, trens bala levitants, motors, generadors, transformadors i línies elèctriques. Els principals avantatges d'aquests dispositius superconductors de somni seran la baixa dissipació de potència, el funcionament a alta velocitat i sensibilitat extrema.
per a superconductors. Hi ha una raó per la qual sovint es construeixen centrals elèctriques a prop de ciutats ocupades. Fins i tot un 30 per cent. creats per ells Energia elèctrica es pot perdre a les línies de transmissió. Aquest és un problema comú amb els aparells elèctrics. La major part de l'energia es destina a la calor. Per tant, una part important de la superfície de l'ordinador es reserva per a peces de refrigeració que ajuden a dissipar la calor generada pels circuits.
Els superconductors resolen el problema de les pèrdues d'energia per calor. Com a part dels experiments, els científics, per exemple, aconsegueixen guanyar-se la vida corrent elèctric dins de l'anell superconductor més de dos anys. I això sense energia addicional.
L'únic motiu pel qual es va aturar el corrent va ser perquè no hi havia accés a heli líquid, no perquè el corrent no pogués continuar circulant. Els nostres experiments ens porten a creure que els corrents en materials superconductors poden fluir durant centenars de milers d'anys, si no més. El corrent elèctric dels superconductors pot fluir per sempre, transferint energia gratuïtament.
в cap resistència un corrent enorme podria fluir a través del cable superconductor, que al seu torn generava camps magnètics d'una potència increïble. Es poden utilitzar per fer levitar trens maglev (4), que ja poden assolir velocitats de fins a 600 km/h i es basen en imants superconductors. O utilitzar-los a les centrals elèctriques, substituint els mètodes tradicionals en què les turbines giren en camps magnètics per generar electricitat. Potents imants superconductors podrien ajudar a controlar la reacció de fusió. Un cable superconductor pot actuar com un dispositiu d'emmagatzematge d'energia ideal, en lloc d'una bateria, i el potencial del sistema es conservarà durant mil milions d'anys.
En els ordinadors quàntics, podeu fluir en sentit horari o antihorari en un superconductor. Els motors de vaixells i cotxes serien deu vegades més petits que els actuals, i les màquines cares de ressonància magnètica de diagnòstic mèdic caben al palmell de la mà. Recollida de granges dels extensos deserts desèrtics d'arreu del món, l'energia solar es pot emmagatzemar i transferir sense cap pèrdua.
4. Tren maglev japonès
Segons el físic i famós divulgador de la ciència, Kakutecnologies com els superconductors marcaran una nova era. Si encara estiguéssim vivint a l'era de l'electricitat, els superconductors a temperatura ambient portarien amb ells l'era del magnetisme.
