E se... temos supercondutores de alta temperatura? Vínculos de esperanza

Liñas de transmisión sen perdas, enxeñería eléctrica a baixa temperatura, superelectroimáns, finalmente comprimindo suavemente millóns de graos de plasma en reactores termonucleares, un carril maglev silencioso e rápido. Temos moitas esperanzas para os supercondutores...

Supercondutividade chámase estado material de resistencia eléctrica cero. Isto conséguese nalgúns materiais a temperaturas moi baixas. Descubriu este fenómeno cuántico Camerling Onnes (1) en mercurio, en 1911. A física clásica non logra describilo. Ademais da resistencia cero, outra característica importante dos supercondutores é expulsar o campo magnético do seu volumeo chamado efecto Meissner (en supercondutores tipo I) ou a focalización do campo magnético en "vórtices" (en supercondutores tipo II).

A maioría dos supercondutores só funcionan a temperaturas próximas ao cero absoluto. Infórmase que é de 0 Kelvin (-273,15 °C). O movemento dos átomos a esta temperatura é case inexistente. Esta é a clave dos supercondutores. Como de costume os electróns movéndose no condutor chocan con outros átomos que vibran, provocando perda de enerxía e resistencia. Non obstante, sabemos que a supercondutividade é posible a temperaturas máis altas. Aos poucos, imos descubrindo materiais que mostran este efecto a menos centígrados menos, e recentemente incluso a máis. Non obstante, isto adoita estar asociado coa aplicación de presións extremadamente altas. O maior soño é crear esta tecnoloxía a temperatura ambiente sen unha presión xigantesca.

A base física para a aparición do estado de supercondutividade é formación de pares de agarradores de carga - o chamado Cooper. Tales pares poden xurdir como resultado da unión de dous electróns con enerxías similares. Enerxía Fermi, é dicir. a enerxía máis pequena pola que aumentará a enerxía dun sistema fermiónico tras a adición dun elemento máis, aínda que a enerxía da interacción entre eles sexa moi pequena. Isto cambia as propiedades eléctricas do material, xa que os portadores únicos son fermións e os pares son bosóns.

Cooperar polo tanto, é un sistema de dous fermións (por exemplo, electróns) que interactúan entre si mediante vibracións da rede cristalina, chamadas fonóns. O fenómeno foi descrito Leona colabora en 1956 e forma parte da teoría BCS da supercondutividade a baixa temperatura. Os fermións que forman o par de Cooper teñen medio espín (que están dirixidos en direccións opostas), pero o espín resultante do sistema está cheo, é dicir, o par de Cooper é un bosón.

Os supercondutores a certas temperaturas son algúns elementos, por exemplo, cadmio, estaño, aluminio, iridio, platino, outros pasan ao estado de supercondutividade só a unha presión moi alta (por exemplo, osíxeno, fósforo, xofre, xermanio, litio) ou no estado de supercondutividade. forma de capas finas (tungsteno, berilio, cromo), e algunhas poden aínda non ser supercondutores, como prata, cobre, ouro, gases nobres, hidróxeno, aínda que ouro, prata e cobre están entre os mellores condutores a temperatura ambiente.

A "temperatura alta" aínda require temperaturas moi baixas

O ano 1964 William A. Pequeno suxeriu a posibilidade da existencia de supercondutividade a alta temperatura en polímeros orgánicos. Esta proposta baséase no emparejamento de electróns mediado por excitóns en oposición ao emparellamento mediado por fonóns na teoría BCS. O termo "supercondutores de alta temperatura" utilizouse para describir unha nova familia de cerámicas de perovskita descuberta por Johannes G. Bednorz e C.A. Müller en 1986, polo que recibiron o Premio Nobel. Estes novos supercondutores cerámicos (2) foron feitos de cobre e osíxeno mesturados con outros elementos como lantano, bario e bismuto.

2. Placa de cerámica flotando sobre poderosos imáns

Desde o noso punto de vista, a supercondutividade "a alta temperatura" aínda era moi baixa. Para presións normais, o límite era de -140 °C, e mesmo estes supercondutores foron chamados de "alta temperatura". A temperatura de supercondutividade de -70 °C para o sulfuro de hidróxeno alcanzouse a presións extremadamente altas. Non obstante, os supercondutores de alta temperatura requiren nitróxeno líquido relativamente barato en lugar de helio líquido para o arrefriamento, o que é esencial.

Por outra banda, é maioritariamente cerámica quebradiza, pouco práctica para o seu uso en sistemas eléctricos.

Os científicos aínda cren que hai unha opción mellor á espera de ser descuberta, un material novo marabilloso que cumprirá criterios como supercondutividade a temperatura ambienteaccesible e práctico de usar. Algunhas investigacións centráronse no cobre, un cristal complexo que contén capas de átomos de cobre e osíxeno. Continúa a investigación sobre algúns informes anómalos pero cientificamente inexplicables de que o grafito empapado en auga pode actuar como supercondutor a temperatura ambiente.

Os últimos anos foron unha auténtica corrente de "revolucións", "avances" e "novos capítulos" no campo da supercondutividade a temperaturas máis altas. En outubro de 2020, informouse de supercondutividade a temperatura ambiente (a 15 °C). hidruro de disulfuro de carbono (3), con todo, a moi alta presión (267 GPa) xerada polo láser verde. Aínda non se atopou o Santo Grial, que sería un material relativamente barato que sería supercondutor a temperatura ambiente e presión normal.

3. Material a base de carbono que é supercondutor a 15°C.

Amencer da Idade Magnética

A enumeración de posibles aplicacións dos supercondutores de alta temperatura pode comezar coa tecnoloxía electrónica e informática, dispositivos lóxicos, elementos de memoria, interruptores e conexións, xeradores, amplificadores, aceleradores de partículas. A continuación na lista: dispositivos altamente sensibles para medir campos magnéticos, tensións ou correntes, imáns para Dispositivos médicos de resonancia magnética, dispositivos de almacenamento de enerxía magnética, trens bala levitantes, motores, xeradores, transformadores e liñas eléctricas. As principais vantaxes destes dispositivos supercondutores de soños serán a baixa disipación de enerxía, o funcionamento a alta velocidade e extrema sensibilidade.

para supercondutores. Hai unha razón pola que as centrais eléctricas adoitan construírse preto de cidades con moito tráfico. Mesmo o 30 por cento. creados por eles Enerxía eléctrica pode perderse nas liñas de transmisión. Este é un problema común cos aparellos eléctricos. A maior parte da enerxía vai á calor. Polo tanto, unha parte importante da superficie do ordenador está reservada para refrixerar pezas que axudan a disipar a calor xerada polos circuítos.

Os supercondutores resolven o problema das perdas de enerxía pola calor. Como parte dos experimentos, os científicos, por exemplo, conseguen gañarse a vida corrente eléctrica dentro do anel superconductor máis de dous anos. E isto sen enerxía adicional.

O único motivo polo que se detivo a corrente foi porque non había acceso ao helio líquido, non porque a corrente non puidese seguir circulando. Os nosos experimentos lévannos a crer que as correntes nos materiais supercondutores poden fluír durante centos de miles de anos, se non máis. A corrente eléctrica nos supercondutores pode fluír para sempre, transferindo enerxía gratuitamente.

в ningunha resistencia polo fío superconductor podía fluír unha corrente enorme, que á súa vez xeraba campos magnéticos de incrible potencia. Pódense utilizar para levitar trens maglev (4), que xa poden alcanzar velocidades de ata 600 km/h e están baseados en imáns superconductores. Ou utilízaos en centrais eléctricas, substituíndo os métodos tradicionais nos que as turbinas xiran en campos magnéticos para xerar electricidade. Potentes imáns supercondutores poderían axudar a controlar a reacción de fusión. Un fío superconductor pode actuar como un dispositivo de almacenamento de enerxía ideal, en lugar de como unha batería, e o potencial do sistema preservarase durante mil e un millóns de anos.

Nas computadoras cuánticas, pode fluír no sentido horario ou antihorario nun superconductor. Os motores dos barcos e dos automóbiles serían dez veces máis pequenos do que son hoxe, e as caras máquinas de resonancia magnética de diagnóstico médico caberían na palma da túa man. Recollida de granxas nos vastos desertos do deserto de todo o mundo, a enerxía solar pódese almacenar e transferir sen ningunha perda.

4. Tren maglev xaponés

Segundo o físico e famoso divulgador da ciencia, Kakutecnoloxías como os supercondutores abrirán unha nova era. Se aínda viviamos na era da electricidade, os supercondutores a temperatura ambiente traerían consigo a era do magnetismo.