Dette blogindlæg undersøger, hvordan superledere håndterer problemer med energitab, og hvilke ændringer de kan medføre for vores samfund og teknologi.
Moderne videnskab hævder, at energi bevares i hele universet. Energi, der er nyttig for menneskeheden, omdannes dog ofte til ubrugelig energi. I dagligdagen er det ikke al den energi, folk bruger, når de udfører arbejde, der rent faktisk bruges til det pågældende arbejde. Dette skyldes, at noget energi omdannes til varmeenergi på grund af objekters modstand. Dette er et termodynamisk spontant fænomen, mens omdannelsen af varmeenergi til andre former for energi er et ikke-spontan fænomen. Med andre ord går noget af den energi, som folk opfatter som nyttig, til spilde, hver gang den bruges. Dette naturlige energispild påvirker dybtgående alle aspekter af vores liv. Derfor har menneskeheden længe søgt måder at reducere energitab og bruge energi mere effektivt.
Hvad nu hvis der fandtes et materiale, der kunne forhindre dette spild? Specifikt for elektrisk energi findes der et sådant materiale – et, der eliminerer energitab. Dette materiale er en superleder. En superleder er en leder, der udviser superledning under en bestemt temperatur (kaldet den kritiske temperatur). Superledning er det fænomen, hvor et materiales elektriske modstand falder til nul, og materialet bliver diamagnetisk. Diamagnetisme er det fænomen, hvor et materiale frastøder et indre magnetfelt. Hvis et objekt har diamagnetiske egenskaber, kan et magnetfelt ikke trænge ind i dets indre. Superledere klassificeres i type I og type II superledere. En type I superleder er en, der fuldstændigt forhindrer et magnetfelt i at trænge ind i dets indre. En type II superleder er en, der tillader et magnetfelt at trænge ind i dets indre. Med andre ord er en type II superleder et materiale, der opretholder superledning uden at udvise perfekt diamagnetisme. Type I superledere er for det meste rene stoffer, mens type II superledere generelt er syntetiske materialer, der fremstilles efter behov. De fleste teknologier, der bruger superledere, anvender type II superledere.
Hvordan blev superledere opdaget? Ligesom mange andre opdagelser skete opdagelsen af superledning ved et tilfælde. I 1911 udførte den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes eksperimenter om forholdet mellem temperaturen af fast kviksølv og dets elektriske modstand. Heike Kamerlingh Onnes opdagede, at kviksølvs modstand faldt lineært med temperaturen, efterhånden som temperaturen faldt. Men da kviksølvets temperatur nåede 4.2 K, faldt modstanden pludselig til nul. Denne opdagelse forårsagede et stort chok i fysikmiljøet på det tidspunkt og udløste en ny forståelse af de fysiske fænomener, der forekommer ved ekstremt lave temperaturer.
Efter den første observation af superledning opdagede Fritz Walther Meißner og Robert Ochsenfeld i 1933, at type I superledere udviser diamagnetiske egenskaber. Denne opdagelse gav grundlag for en dybere forståelse af superledere. Deres fund markerede et vigtigt vendepunkt i superledningsforskningen og ansporede til aktiv undersøgelse af potentielle kommercielle anvendelser af superledere. Efterfølgende, i 1950, udgav Lev Landau og Vitaly Ginzburg en teori, der forklarede superlederes egenskaber. Alexey Abrikosov forudsagde, baseret på denne teori, at superledere ville blive klassificeret i to typer. I 1962 blev den første kommercielle superleder udviklet. Siden da har ingeniører stræbt efter at udvikle superledere, der udviser superledning ved stuetemperatur.
Type I superledere er næsten umulige at anvende kommercielt på grund af deres egenskaber. I modsætning hertil anvendes type II superledere inden for forskellige områder. Et repræsentativt eksempel på superledende anvendelser er den superledende elektromagnet. En elektromagnet er en magnet, der kun magnetiseres, når en elektrisk strøm flyder gennem den. Elektromagneter bruges i højttalere og lignende enheder. Brug af en superleder, der har nul modstand, til at fremstille en elektromagnet kan forhindre strømspild under dens drift. Superledere bruges også i kredsløb. Kredsløb, der bruger superledere, fungerer hurtigere end dem uden. Hurtigere kredsløbsdrift forkorter ikke kun eksperimentelle tider, når kredsløbet bruges, men muliggør også udvikling af hurtigere elektroniske enheder.
Hvis der udvikles en superleder, der udviser superledningsevne ved stuetemperatur, kan dette materiale anvendes inden for forskellige områder, såsom kraftoverføringsledninger, kondensatorer, transformere, magnetiske levitationstog og motorer. Superledende ledninger eliminerer elektrisk energitab under kraftoverførsel. Eliminering af unødvendigt energitab betyder, at der skal genereres mindre strøm, hvilket forhindrer ressourcespild.
Maglev-tog, der bruger superledere, kan køre med ultrahøje hastigheder. Dette vil bidrage til fremskridt inden for transport. I øjeblikket har ingeniører hævet den kritiske temperatur for superledere til 52K, og forskningen fortsætter. Superlederen, der blev opdaget ved et uheld af Heike Kamerlingh Onnes, har også sat et betydeligt præg på videnskabens historie for det moderne samfund, der står over for energikriser.
Siden opdagelsen af superledere har de haft en dybtgående indflydelse ikke kun på fysikken, men også på forskellige områder som elektroteknik og materialevidenskab. Superledere er ikke længere blot genstande for fysisk nysgerrighed; de er blevet vigtige teknologiske værktøjer med praktisk anvendelsespotentiale. Desuden viser de et stort potentiale til at bidrage betydeligt til samfundsudviklingen. I dagens verden, hvor den hensynsløse brug af begrænsede ressourcer er problematisk, anses udviklingen af superledere, der kan bruges ved stuetemperatur, for afgørende. Hvis ingeniører udvikler materialer, der udviser superledning ved stuetemperatur, vil menneskeheden tage endnu et skridt fremad i sin udvikling. Efterhånden som de kommercielle anvendelser af superledere udvides, vil vi være i stand til at bruge energi på mere effektive og bæredygtige måder. Dette vil spille en afgørende rolle i at løse mange af de problemer, menneskeheden står over for, især dem, der er relateret til energi og miljø.
