Tento blogový příspěvek zkoumá, jak supravodiče řeší problémy se ztrátami energie a jaké změny by mohly přinést do naší společnosti a technologií.
Moderní věda tvrdí, že energie je v celém vesmíru zachována. Energie užitečná pro lidstvo se však často transformuje na energii neužitečnou. V každodenním životě ne veškerá energie, kterou lidé spotřebují při vykonávání práce, je pro tuto práci skutečně využita. Je to proto, že část energie se v důsledku odporu objektů přeměňuje na tepelnou energii. Jedná se o termodynamicky spontánní jev, zatímco přeměna tepelné energie na jiné formy energie je jev nespontánní. Jinými slovy, část energie, kterou lidé vnímají jako užitečnou, se při každém použití promrhá. Toto přirozené plýtvání energií hluboce ovlivňuje všechny aspekty našeho života. Lidstvo proto již dlouho hledá způsoby, jak snížit ztráty energie a efektivněji využívat energii.
Co kdyby tedy existoval materiál, který by mohl tomuto plýtvání zabránit? Konkrétně pro elektrickou energii takový materiál existuje – takový, který eliminuje ztráty energie. Tímto materiálem je supravodič. Supravodič je vodič, který vykazuje supravodivost pod určitou teplotou (nazývanou kritická teplota). Supravodivost je jev, kdy elektrický odpor materiálu klesne na nulu a materiál se stává diamagnetickým. Diamagnetismus je jev, kdy materiál odpuzuje vnitřní magnetické pole. Pokud má objekt diamagnetické vlastnosti, magnetické pole nemůže proniknout do jeho nitra. Supravodiče se dělí na supravodiče typu I a typu II. Supravodič typu I je takový, který zcela brání pronikání jakéhokoli magnetického pole do svého vnitřku. Supravodič typu II je takový, který umožňuje proniknutí určitého magnetického pole do svého vnitřku. Jinými slovy, supravodič typu II je materiál, který si zachovává supravodivost, aniž by vykazoval dokonalý diamagnetismus. Supravodiče typu I jsou většinou čisté látky, zatímco supravodiče typu II jsou obecně syntetické materiály vytvářené podle potřeby. Většina technologií využívajících supravodiče používá supravodiče typu II.
Jak byly supravodiče objeveny? Stejně jako mnoho jiných objevů se i objev supravodivosti stal náhodou. V roce 1911 provedl nizozemský fyzik Heike Kamerlingh Onnes experimenty o vztahu mezi teplotou pevné rtuti a jejím elektrickým odporem. Heike Kamerlingh Onnes zjistil, že odpor rtuti lineárně klesá s klesající teplotou. Když však teplota rtuti dosáhla 4.2 K, odpor náhle klesl na nulu. Tento objev způsobil v tehdejší fyzikální komunitě velký šok a podnítil nové chápání fyzikálních jevů, ke kterým dochází při extrémně nízkých teplotách.
Po prvním pozorování supravodivosti v roce 1933 Fritz Walther Meißner a Robert Ochsenfeld objevili, že supravodiče typu I vykazují diamagnetické vlastnosti. Tento objev poskytl základ pro hlubší pochopení supravodičů. Jejich objev znamenal zásadní zlom ve výzkumu supravodivosti a podnítil aktivní zkoumání potenciálních komerčních aplikací supravodičů. Následně v roce 1950 Lev Landau a Vitalij Ginzburg publikovali teorii vysvětlující vlastnosti supravodičů. Alexej Abrikosov na základě této teorie předpověděl, že supravodiče budou rozděleny do dvou typů. V roce 1962 byl vyvinut první komerční supravodič. Od té doby se inženýři snaží vyvinout supravodiče vykazující supravodivost při pokojové teplotě.
Supravodiče typu I je kvůli jejich vlastnostem téměř nemožné komerčně využít. Naproti tomu supravodiče typu II se používají v různých oblastech. Reprezentativním příkladem supravodivých aplikací je supravodivý elektromagnet. Elektromagnet je magnet, který se zmagnetizuje pouze tehdy, když jím protéká elektrický proud. Elektromagnety se používají v reproduktorech a podobných zařízeních. Použití supravodiče s nulovým odporem k výrobě elektromagnetu může zabránit plýtvání energií během jeho provozu. Supravodiče se také používají v obvodech. Obvody využívající supravodiče pracují rychleji než obvody bez nich. Rychlejší provoz obvodu nejen zkracuje experimentální dobu při použití obvodu, ale také umožňuje vývoj rychlejších elektronických zařízení.
Pokud by byl vyvinut supravodič vykazující supravodivost při pokojové teplotě, mohl by být tento materiál využit v různých oblastech, jako jsou vedení pro přenos energie, kondenzátory, transformátory, vlaky s magnetickou levitací a motory. Supravodivé dráty eliminují ztráty elektrické energie během přenosu energie. Eliminace zbytečných ztrát energie znamená, že je třeba vyrábět méně energie, což zabraňuje plýtvání zdroji.
Maglevské vlaky využívající supravodiče mohou jezdit ultravysokými rychlostmi. To přispěje k pokroku v dopravě. V současné době inženýři zvýšili kritickou teplotu supravodičů na 52 K a výzkum pokračuje. Supravodič, objevený náhodou Heike Kamerlingh Onnes, zanechal také významnou stopu v dějinách vědy pro moderní společnost čelící energetickým krizím.
Od objevu supravodičů hluboce ovlivnily nejen fyziku, ale i různé obory, jako je elektrotechnika a materiálová věda. Supravodiče již nejsou jen objektem fyzické zvědavosti; staly se důležitými technologickými nástroji s praktickým aplikačním potenciálem. Navíc vykazují velký potenciál významně přispět k rozvoji společnosti. V dnešním světě, kde je bezohledné využívání omezených zdrojů problematické, je vývoj supravodičů použitelných při pokojové teplotě považován za klíčový. Pokud inženýři vyvinou materiály vykazující supravodivost při pokojové teplotě, lidstvo učiní další krok vpřed ve svém vývoji. S rozšiřováním komerčních aplikací supravodičů budeme schopni využívat energii efektivnějším a udržitelnějším způsobem. To bude hrát klíčovou roli při řešení mnoha problémů, kterým lidstvo čelí, zejména těch, které se týkají energie a životního prostředí.
