Εφαρμογή της υπεραγωγιμότητας στην επιστήμη και την τεχνολογία

Η υπεραγωγιμότητα ονομάζεται κβαντικό φαινόμενο, το οποίο συνίσταται στο γεγονός ότι ορισμένα υλικά, όταν η θερμοκρασία τους φτάσει σε μια ορισμένη κρίσιμη τιμή, αρχίζουν να εμφανίζουν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση.

Σήμερα, οι επιστήμονες γνωρίζουν ήδη αρκετές εκατοντάδες στοιχεία, κράματα και κεραμικά ικανά να συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο. Ένας αγωγός που έχει περάσει σε υπεραγώγιμη κατάσταση αρχίζει να δείχνει αυτό που ονομάζεται Εφέ Meissner, όταν το μαγνητικό πεδίο από τον όγκο του μετατοπίζεται εντελώς προς τα έξω, κάτι που, φυσικά, έρχεται σε αντίθεση με την κλασική περιγραφή των επιπτώσεων που σχετίζονται με τη συνήθη αγωγιμότητα υπό συνθήκες ενός υποθετικού ιδανικού, δηλαδή μηδενικής αντίστασης.

Την περίοδο από το 1986 έως το 1993, ανακαλύφθηκε ένας αριθμός υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας, δηλαδή αυτοί που περνούν σε υπεραγώγιμη κατάσταση όχι πλέον σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες όπως το σημείο βρασμού του υγρού ηλίου (4,2 K), αλλά στο σημείο βρασμού σημείο υγρού αζώτου ( 77 K) — 18 φορές υψηλότερο, το οποίο σε εργαστηριακές συνθήκες μπορεί να επιτευχθεί πολύ πιο εύκολα και φθηνότερα από ό,τι με το ήλιο.

Αυξημένο ενδιαφέρον για πρακτική εφαρμογή υπεραγωγιμότητα ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1950 όταν οι υπεραγωγοί τύπου II, με την υψηλή πυκνότητα ρεύματος και τη μαγνητική τους επαγωγή, ήρθαν λαμπρά στον ορίζοντα. Τότε άρχισαν να αποκτούν όλο και μεγαλύτερη πρακτική σημασία.

Ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής μας λέει ότι γύρω από το ηλεκτρικό ρεύμα υπάρχει πάντα μαγνητικό πεδίο... Και επειδή οι υπεραγωγοί μεταφέρουν ρεύμα χωρίς αντίσταση, αρκεί απλώς να διατηρηθούν τέτοια υλικά στις σωστές θερμοκρασίες και έτσι να ληφθούν μέρη για τη δημιουργία ιδανικών ηλεκτρομαγνητών.

Για παράδειγμα, στην ιατρική διαγνωστική, η τεχνολογία απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού περιλαμβάνει τη χρήση ισχυρών υπεραγώγιμων ηλεκτρομαγνητών σε τομογράφους. Χωρίς αυτά, οι γιατροί δεν θα μπορούσαν να αποκτήσουν τόσο εντυπωσιακές εικόνες υψηλής ανάλυσης των εσωτερικών ιστών του ανθρώπινου σώματος χωρίς να καταφύγουν στη χρήση νυστέρι.

Τα υπεραγώγιμα κράματα όπως τα διαμεταλλικά νιόβιο-τιτάνιο και νιόβιο-κασσίτερο έχουν αποκτήσει μεγάλη σημασία, από τα οποία είναι τεχνικά εύκολο να ληφθούν σταθερά λεπτά υπεραγώγιμα νήματα και συρμάτινα σύρματα.

Οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει από καιρό υγροποιητές και ψυγεία με υψηλή ικανότητα ψύξης (σε επίπεδο θερμοκρασίας υγρού ηλίου), ήταν αυτοί που συνέβαλαν στην ανάπτυξη της υπεραγώγιμης τεχνολογίας πίσω στην ΕΣΣΔ. Ακόμη και τότε, τη δεκαετία του 1980, κατασκευάστηκαν μεγάλα ηλεκτρομαγνητικά συστήματα.

Εκτοξεύτηκε η πρώτη πειραματική εγκατάσταση στον κόσμο, το T-7, που σχεδιάστηκε για να μελετήσει τη δυνατότητα έναρξης μιας αντίδρασης σύντηξης, όπου χρειάζονται υπεραγώγιμα πηνία για τη δημιουργία ενός σπειροειδούς μαγνητικού πεδίου.Σε επιταχυντές μεγάλων σωματιδίων, υπεραγώγιμα πηνία χρησιμοποιούνται επίσης σε θαλάμους φυσαλίδων υγρού υδρογόνου.

Αναπτύσσονται και δημιουργούνται γεννήτριες στροβίλων (τη δεκαετία του '80 του περασμένου αιώνα, οι εξαιρετικά ισχυρές γεννήτριες στροβίλων KGT-20 και KGT-1000 δημιουργήθηκαν με βάση υπεραγωγούς), ηλεκτρικούς κινητήρες, καλώδια, μαγνητικούς διαχωριστές, συστήματα μεταφοράς κ.λπ.

Ροόμετρα, μετρητές στάθμης, βαρόμετρα, θερμόμετρα — οι υπεραγωγοί είναι εξαιρετικοί για όλα αυτά τα όργανα ακριβείας.Οι κύριοι τομείς βιομηχανικής εφαρμογής υπεραγωγών παραμένουν δύο: μαγνητικά συστήματα και ηλεκτρικές μηχανές.

Δεδομένου ότι ο υπεραγωγός δεν διέρχεται τη μαγνητική ροή, αυτό σημαίνει ότι ένα προϊόν αυτού του τύπου θωρακίζει τη μαγνητική ακτινοβολία. Αυτή η ιδιότητα των υπεραγωγών χρησιμοποιείται σε συσκευές μικροκυμάτων ακριβείας, καθώς και για την προστασία από έναν τόσο επικίνδυνο επιβλαβή παράγοντα πυρηνικής έκρηξης όπως η ισχυρή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Ως αποτέλεσμα, οι υπεραγωγοί χαμηλής θερμοκρασίας παραμένουν απαραίτητοι για τη δημιουργία μαγνητών σε ερευνητικό εξοπλισμό, όπως επιταχυντές σωματιδίων και αντιδραστήρες σύντηξης.

Τα τρένα με μαγνητική αιώρηση, τα οποία χρησιμοποιούνται ενεργά σήμερα στην Ιαπωνία, μπορούν πλέον να κινούνται με ταχύτητα 600 km/h και έχουν αποδείξει εδώ και καιρό τη σκοπιμότητα και την αποτελεσματικότητά τους.

Η απουσία ηλεκτρικής αντίστασης στους υπεραγωγούς καθιστά τη διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας πιο οικονομική. Για παράδειγμα, ένα υπεραγώγιμο λεπτό καλώδιο που τοποθετείται υπόγεια θα μπορούσε κατ 'αρχήν να μεταδίδει ισχύ που θα απαιτούσε μια παχιά δέσμη καλωδίων - μια δυσκίνητη γραμμή - για να τη μεταδώσει με τον παραδοσιακό τρόπο.

Επί του παρόντος, μόνο τα ζητήματα κόστους και συντήρησης που σχετίζονται με την ανάγκη συνεχούς άντλησης αζώτου μέσω του συστήματος παραμένουν σχετικά. Ωστόσο, το 2008, η American Superconductor ξεκίνησε με επιτυχία την πρώτη εμπορική γραμμή μεταφοράς υπεραγώγιμων στη Νέα Υόρκη.

Επιπλέον, υπάρχει βιομηχανική τεχνολογία μπαταριών που επιτρέπει σήμερα τη συσσώρευση και αποθήκευση (συσσώρευση) ενέργειας με τη μορφή συνεχούς ρεύματος κυκλοφορίας.

Συνδυάζοντας υπεραγωγούς με ημιαγωγούς, οι επιστήμονες δημιουργούν εξαιρετικά γρήγορους κβαντικούς υπολογιστές που εισάγουν τον κόσμο σε μια νέα γενιά υπολογιστικής τεχνολογίας.

Το φαινόμενο της εξάρτησης της θερμοκρασίας μετάπτωσης μιας ουσίας σε υπεραγώγιμη κατάσταση από το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου είναι η βάση των ελεγχόμενων αντιστάσεων - κρυοτρονίων.

Αυτή τη στιγμή, φυσικά, μπορούμε να μιλήσουμε για σημαντική πρόοδο όσον αφορά την πρόοδο προς την απόκτηση υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας.

Για παράδειγμα, η μεταλλοκεραμική σύνθεση YBa2Cu3Ox περνά σε υπεραγώγιμη κατάσταση σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία υγροποίησης του αζώτου!

Ωστόσο, τα περισσότερα από αυτά τα διαλύματα οφείλονται στο γεγονός ότι τα δείγματα που λαμβάνονται είναι εύθραυστα και ασταθή. Ως εκ τούτου, τα προαναφερθέντα κράματα νιοβίου εξακολουθούν να είναι σχετικά με την τεχνολογία.

Οι υπεραγωγοί καθιστούν δυνατή τη δημιουργία ανιχνευτών φωτονίων. Μερικοί από αυτούς χρησιμοποιούν την αντανάκλαση Andreev, άλλοι χρησιμοποιούν το φαινόμενο Josephson, το γεγονός της παρουσίας κρίσιμου ρεύματος κ.λπ.

Έχουν κατασκευαστεί ανιχνευτές που καταγράφουν μεμονωμένα φωτόνια από την υπέρυθρη περιοχή, τα οποία παρουσιάζουν μια σειρά πλεονεκτημάτων έναντι των ανιχνευτών που βασίζονται σε άλλες αρχές εγγραφής, όπως φωτοηλεκτρικούς πολλαπλασιαστές κ.λπ.

Τα κύτταρα μνήμης μπορούν να δημιουργηθούν με βάση τις δίνες σε υπεραγωγούς. Ορισμένα μαγνητικά σολίτονα χρησιμοποιούνται ήδη με παρόμοιο τρόπο. Τα δισδιάστατα και τα τρισδιάστατα μαγνητικά σολίτονα είναι παρόμοια με τις δίνες σε ένα υγρό, όπου ο ρόλος των γραμμών ροής παίζεται από γραμμές ευθυγράμμισης τομέα.

Τα καλαμάρια είναι μικροσκοπικές συσκευές υπεραγωγών με δακτύλιο που λειτουργούν με βάση τη σχέση μεταξύ των αλλαγών στη μαγνητική ροή και της ηλεκτρικής τάσης. Τέτοιες μικροσυσκευές λειτουργούν σε πολύ ευαίσθητα μαγνητόμετρα ικανά να μετρήσουν το μαγνητικό πεδίο της Γης, καθώς και σε ιατρικό εξοπλισμό για τη λήψη μαγνητογραμμάτων σαρωμένων οργάνων.