Τι είναι η υπεραγωγιμότητα;

Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα ωραίο μέρος της φυσικής που χρησιμοποιείται σε πολλούς παράγοντες της ζωής μας. Εάν οι επιστήμονες ήταν σε θέση να ανακαλύψουν έναν υπεραγωγό θερμοκρασίας και πίεσης δωματίου, θα έφερε επανάσταση στην τεχνολογία. Δυστυχώς, αυτό έχει αποδειχθεί πολύ δύσκολο έργο και μπορεί να μην είναι καθόλου εφικτό.

Τι είναι η υπεραγωγιμότητα;

Ένας ηλεκτρικός αγωγός είναι ένα υλικό που μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Κάθε υλικό έχει τη δική του ηλεκτρική αντίσταση που είναι ένα μέτρο της αντίθεσής του στη ροή ενός ηλεκτρικού ρεύματος. Ένα υλικό με υψηλή αντίσταση είναι κακός αγωγός και το αντίστροφο.

Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φαινόμενο της φυσικής όπου ένα υλικό έχει μηδενική ηλεκτρική αντίσταση. Σε αυτή την κατάσταση, υπάρχουν πολλά ενδιαφέροντα και χρήσιμα εφέ. Ένας υπεραγωγός που δεν έχει αντίσταση σημαίνει ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να περάσει μέσα του χωρίς ποτέ να χάσει ενέργεια ή να το θερμάνει. Αυτό μπορεί να επιτρέψει την τέλεια αποτελεσματική μεταφορά και αποθήκευση ενέργειας.

Οι υπεραγωγοί μπορούν επίσης να δημιουργήσουν εξαιρετικά ισχυρούς μαγνήτες, παραδείγματα αυτού μπορούν να βρεθούν σε μηχανές μαγνητικής τομογραφίας και σε επιταχυντές σωματιδίων. Πειράματα έχουν δείξει ότι τα ηλεκτρικά ρεύματα σε αυτούς τους μαγνήτες μπορούν να επιμείνουν για χρόνια χωρίς καμία μετρήσιμη μείωση της ισχύος. Η έρευνα υποδηλώνει ότι το ρεύμα θα είναι σταθερό για τουλάχιστον 100.000 χρόνια, με ορισμένες εκτιμήσεις να προβλέπουν ότι το ρεύμα θα είναι σε θέση να παραμείνει για περισσότερο από την εκτιμώμενη διάρκεια ζωής του σύμπαντος.

Όταν τοποθετούνται πάνω από έναν μαγνήτη, οι υπεραγωγοί σχηματίζουν ένα ίσο μαγνητικό πεδίο που απωθεί τον μαγνήτη. Αυτό επιτρέπει στους υπεραγωγούς να αιωρούνται τέλεια πάνω ή κάτω από έναν μαγνήτη ή ακόμα και κατά μήκος μιας τροχιάς μαγνητών.

Απαιτήσεις υπεραγωγιμότητας

Ένα υλικό αρχίζει να υπεραγώγεται μόνο κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία, όπου η ηλεκτρική του αντίσταση πέφτει ξαφνικά στο μηδέν. Δυστυχώς, όλοι οι γνωστοί υπεραγωγοί γίνονται υπεραγώγιμοι μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Ως υπεραγωγός «υψηλής θερμοκρασίας» ορίζεται ένα υλικό που συμπεριφέρεται ως υπεραγωγός πάνω από τη θερμοκρασία του υγρού αζώτου (73K ή -200°C). Η ακριβής θερμοκρασία στην οποία η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού πέφτει στο μηδέν ονομάζεται «Κρίσιμη θερμοκρασία».

Συμβουλή: Τα ιδιαίτερα ψυχρά στοιχεία της φυσικής μετρώνται γενικά σε Kelvin (K). Ένα Kelvin ισοδυναμεί με έναν βαθμό Κελσίου, αλλά η κλίμακα Kelvin ξεκινά από το απόλυτο μηδέν, ή -273,15°C.

Ο υπεραγωγός με την υψηλότερη θερμοκρασία που ανακαλύφθηκε, από το 2020, είναι ο Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 που έχει κρίσιμη θερμοκρασία 138K ή -135°C σε μία ατμόσφαιρα πίεσης.

Η θερμοκρασία δεν είναι ο μόνος σημαντικός παράγοντας στην υπεραγωγιμότητα, η πίεση παίζει επίσης ρόλο σε αρκετούς υπεραγωγούς. Το υδρόθειο (H2S) έχει κρίσιμη θερμοκρασία μόλις 203K (-70°C) και το δεκαϋδρίδιο του λανθανίου (LAH10) έχει κρίσιμη θερμοκρασία 250K (-23°C). Δυστυχώς, αυτά τα υλικά πρέπει να βρίσκονται σε απίστευτα υψηλές πιέσεις για να γίνουν υπεραγώγιμα, με το H2S να χρειάζεται 986.923 ατμόσφαιρες πίεσης και το LaH10 να χρειάζεται 1.677.770 ατμόσφαιρες.

Συμβουλή: Η πίεση σε αυτήν την κλίμακα μετριέται γενικά σε GPa ή Giga-pascals με τους αριθμούς να είναι 100 GPa και 170 GPa αντίστοιχα. Για να γίνει πιο κατανοητή αυτή η τιμή, έχει μετατραπεί σε ατμόσφαιρες. Μια ατμόσφαιρα πίεσης είναι η μέση ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας στη Γη. Για σύγκριση, η πίεση στο βαθύτερο σημείο των ωκεανών της Γης, το Challenger Deep στην τάφρο Mariana, είναι 1.071 ατμόσφαιρες στα 10.994 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας.

Πιθανές μελλοντικές χρήσεις για υπεραγωγούς σε θερμοκρασία δωματίου

Ο όρος «υπεραγωγός θερμοκρασίας δωματίου» χρησιμοποιείται για να αναφέρεται σε πιθανά μελλοντικά υλικά που παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασίες πάνω από 273K ή 0°C. Για να γίνουν ιδιαίτερα χρήσιμα στον πραγματικό κόσμο, αυτά τα υλικά θα πρέπει επίσης να είναι υπεραγώγιμα σε ή κοντά σε μια ατμόσφαιρα πίεσης.

Ένας υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου θα βοηθούσε στη μείωση των παγκόσμιων ενεργειακών προβλημάτων εξαλείφοντας σχεδόν την ηλεκτρική ενέργεια που χάνεται κατά τη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις μέσω ηλεκτρικών γραμμών. Θα επέτρεπαν επίσης ταχύτερους υπολογιστές και συσκευές αποθήκευσης μνήμης μαζί με πιο ευαίσθητους επιστημονικούς αισθητήρες. Θα ήταν πολύ φθηνότερο να λειτουργούν οι εξαιρετικά ισχυροί μαγνήτες που χρησιμοποιούνται σε συσκευές όπως επιταχυντές σωματιδίων, μηχανές MRI, πρωτότυπους αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης και τρένα maglev, καθώς οι μαγνήτες δεν θα απαιτούσαν υγρό άζωτο για να ψύξουν τον υπεραγωγό αρκετά για να λειτουργήσει.