Kaj je superprevodnost?

Superprevodnost je kul del fizike, ki se uporablja v številnih dejavnikih našega življenja. Če bi znanstvenikom uspelo odkriti superprevodnik pri sobni temperaturi in tlaku, bi to naredilo revolucijo v tehnologiji. Žal se je to izkazalo za zelo težko nalogo in morda sploh ne bo mogoče.

Kaj je superprevodnost?

Električni prevodnik je material, ki lahko prevaja elektriko. Vsak material ima svoj električni upor, ki je merilo njegovega nasprotovanja toku električnega toka. Material z visoko odpornostjo je slab prevodnik in obratno.

Superprevodnost je fizični pojav, pri katerem ima material nič električnega upora. V tem stanju so številni zanimivi in ​​uporabni učinki. Superprevodnik brez upora pomeni, da lahko električni tok poteka skozi njega, ne da bi pri tem izgubil energijo ali segreval. To lahko omogoči popolnoma učinkovit prenos in shranjevanje energije.

Superprevodniki lahko ustvarijo tudi izjemno močne magnete, primere tega lahko najdemo v napravah za magnetno resonanco in v pospeševalnikih delcev. Poskusi so pokazali, da lahko električni tokovi v teh magnetih vztrajajo več let brez kakršnega koli merljivega zmanjšanja moči. Raziskave kažejo, da bi bil tok stabilen vsaj 100.000 let, nekatere ocene pa predvidevajo, da bi tok lahko vztrajal dlje od ocenjene življenjske dobe vesolja.

Ko so postavljeni nad magnet, superprevodniki tvorijo enako magnetno polje, ki odbija magnet. To omogoča, da superprevodniki popolnoma levitirajo nad ali pod magnetom ali celo vzdolž sledi magnetov.

Zahteve za superprevodnost

Material začne biti superprevoden šele pod določeno temperaturo, kjer njegov električni upor nenadoma pade na nič. Na žalost vsi znani superprevodniki postanejo superprevodni šele pri izjemno nizkih temperaturah. "Visokotemperaturni" superprevodnik je opredeljen kot material, ki se obnaša kot superprevodnik nad temperaturo tekočega dušika (73K ali -200°C). Natančna temperatura, pri kateri električni upor materiala pade na nič, se imenuje "kritična temperatura".

Nasvet: Posebej hladni elementi fizike se običajno merijo v Kelvinih (K). En Kelvin je enak eni stopinji Celzija, vendar se Kelvinova lestvica začne pri absolutni ničli ali -273,15 °C.

Najvišji temperaturni superprevodnik, odkrit od leta 2020, je Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, ki ima kritično temperaturo 138K ali -135°C pri eni atmosferi tlaka.

Temperatura ni edini pomemben dejavnik pri superprevodnosti, tlak igra vlogo tudi pri številnih superprevodnikih. Vodikov sulfid (H2S) ima kritično temperaturo le 203K (-70°C), lantanov dekahidrid (LAH10) pa ima kritično temperaturo 250K (-23°C). Na žalost morajo biti ti materiali pod neverjetno visokimi tlaki, da postanejo superprevodni, pri čemer H2S potrebuje 986.923 atmosfer tlaka, LaH10 pa 1.677.770 atmosfer.

Nasvet: Tlak na tej lestvici se običajno meri v GPa ali Gigapaskalih, pri čemer sta številki 100 GPa oziroma 170 GPa. Da bi bila ta vrednost bolj razumljiva, je bila pretvorjena v atmosfere. Ena tlačna atmosfera je povprečni zračni tlak na morski gladini na Zemlji. Za primerjavo, tlak na najgloblji točki Zemljinega oceana, Challenger Deep v Marianskem jarku, znaša 1071 atmosfer na 10 994 metrih pod morsko gladino.

Potencialna prihodnja uporaba superprevodnikov pri sobni temperaturi

Izraz "superprevodnik pri sobni temperaturi" se uporablja za označevanje potencialnih prihodnjih materialov, ki kažejo superprevodnost pri temperaturah nad 273K ali 0°C. Da bi postali še posebej uporabni v resničnem svetu, bi morali biti ti materiali tudi superprevodni pri eni atmosferi tlaka ali blizu nje.

Superprevodnik pri sobni temperaturi bi pomagal zmanjšati svetovne energetske težave s skoraj odpravo električne energije, izgubljene med prenosom na dolge razdalje po električnih vodih. Omogočili bi tudi hitrejše računalnike in pomnilniške naprave za shranjevanje skupaj z bolj občutljivimi znanstvenimi senzorji. Zagon super močnih magnetov, ki se uporabljajo v napravah, kot so pospeševalniki delcev, MRI, prototipni jedrski fuzijski reaktorji in magnetni vlaki, bi postalo veliko ceneje, saj magneti ne bi potrebovali tekočega dušika, da bi superprevodnik ohladili dovolj za delovanje.