Mi az a szupravezetés?

A szupravezetés a fizika egy klassz része, amelyet életünk számos tényezőjében használnak. Ha a tudósok képesek lennének felfedezni egy szobahőmérsékletű és nyomású szupravezetőt, az forradalmasítaná a technológiát. Sajnos ez nagyon nehéz feladatnak bizonyult, és lehet, hogy egyáltalán nem lesz lehetséges.

Mi a szupravezetés?

Az elektromos vezető olyan anyag, amely képes vezetni az elektromosságot. Minden anyagnak megvan a maga elektromos ellenállása, amely az elektromos áram áramlásával szembeni ellenállásának mértéke. A nagy ellenállású anyag rossz vezető és fordítva.

A szupravezetés egy fizikai jelenség, amikor egy anyag elektromos ellenállása nulla. Ebben az állapotban számos érdekes és hasznos hatás érhető el. Az ellenállás nélküli szupravezető azt jelenti, hogy elektromos áram áthaladhat rajta anélkül, hogy energiát veszítene vagy felmelegítené. Ez tökéletesen hatékony energiaátvitelt és tárolást tesz lehetővé.

A szupravezetők kivételesen erős mágneseket is képesek létrehozni, erre találunk példákat MRI gépekben és részecskegyorsítókban. Kísérletek kimutatták, hogy az elektromos áram ezekben a mágnesekben évekig fennmaradhat anélkül, hogy az erősség mérhető csökkenést mutatna. A kutatások azt sugallják, hogy az áramlat legalább 100 000 évig stabil maradna, egyes becslések szerint az áramlat az univerzum becsült élettartamánál tovább képes fennmaradni.

Mágnes fölé helyezve a szupravezetők egyenlő mágneses teret képeznek, amely taszítja a mágnest. Ez lehetővé teszi, hogy a szupravezetők tökéletesen lebegjenek egy mágnes felett vagy alatt, vagy akár egy mágnespálya mentén.

A szupravezetés követelményei

Egy anyag csak bizonyos hőmérséklet alatt kezd el szupravezető lenni, ahol elektromos ellenállása hirtelen nullára csökken. Sajnos az összes ismert szupravezető csak rendkívül hideg hőmérsékleten válik szupravezetővé. A „magas hőmérsékletű” szupravezető olyan anyag, amely a folyékony nitrogén hőmérséklete felett (73 K vagy -200 °C) szupravezetőként viselkedik. Azt a pontos hőmérsékletet, amelyen az anyag elektromos ellenállása nullára esik, „kritikus hőmérsékletnek” nevezzük.

Tipp: A fizika különösen hideg elemeit általában Kelvinben (K) mérik. Egy Kelvin egy Celsius-foknak felel meg, de a Kelvin-skála az abszolút nullánál, vagyis -273,15°C-nál kezdődik.

A 2020-ban felfedezett legmagasabb hőmérsékletű szupravezető a Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, amelynek kritikus hőmérséklete 138K vagy -135°C egy atmoszféra nyomáson.

Nem a hőmérséklet az egyetlen fontos tényező a szupravezetésben, hanem a nyomás is szerepet játszik számos szupravezetőben. A hidrogén-szulfid (H2S) kritikus hőmérséklete mindössze 203 K (-70 °C), a lantán-dekahidrid (LAH10) pedig 250 K (-23 °C). Sajnos ezeknek az anyagoknak hihetetlenül nagy nyomáson kell lenniük ahhoz, hogy szupravezetővé váljanak: a H2S-nek 986 923 atmoszféra, az LaH10-nek pedig 1 677 770 atmoszféra nyomásra van szüksége.

Tipp: A nyomást ezen a skálán általában GPa-ban vagy Giga-pascalban mérik, a számok 100 GPa és 170 GPa. Az érték érthetőbbé tétele érdekében légkörré alakítottuk át. Egy atmoszféra nyomása az átlagos légnyomás a tengerszinten a Földön. Összehasonlításképpen: a Föld óceánjainak legmélyebb pontján, a Mariana-árokban lévő Challenger Deepben a nyomás 10 994 méterrel a tengerszint alatt 1071 atmoszféra.

A szobahőmérsékletű szupravezetők lehetséges jövőbeni felhasználási területei

A „szobahőmérsékletű szupravezető” kifejezést olyan potenciális jövőbeni anyagokra használják, amelyek 273 K vagy 0 °C feletti hőmérsékleten mutatnak szupravezető képességet. Ahhoz, hogy a való világban különösen hasznosak legyenek, ezeknek az anyagoknak szupravezetőnek kell lenniük egy atmoszféra nyomáson vagy annak közelében.

Egy szobahőmérsékletű szupravezető segít csökkenteni a világ energiaproblémáit azáltal, hogy szinte kiküszöböli az elektromos vezetékeken keresztüli távolsági átvitel során elveszett elektromos energiát. Gyorsabb számítógépeket és memóriatároló eszközöket, valamint érzékenyebb tudományos érzékelőket is lehetővé tennének. Sokkal olcsóbbá válna a részecskegyorsítókban, az MRI-gépekben, a prototípus magfúziós reaktorokban és a maglev-vonatokban használt szupererős mágnesek működtetése, mivel a mágnesekhez nem lenne szükség folyékony nitrogénre a szupravezető eléggé lehűtéséhez.