Αυτή η ανάρτηση ιστολογίου διερευνά πώς οι υπεραγωγοί αντιμετωπίζουν τα προβλήματα απώλειας ενέργειας και ποιες αλλαγές θα μπορούσαν να φέρουν στην κοινωνία και την τεχνολογία μας.
Η σύγχρονη επιστήμη υποστηρίζει ότι η ενέργεια διατηρείται σε ολόκληρο το σύμπαν. Ωστόσο, η ενέργεια που είναι χρήσιμη για την ανθρωπότητα συχνά μετατρέπεται σε άχρηστη ενέργεια. Στην καθημερινή ζωή, δεν χρησιμοποιείται όλη η ενέργεια που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι όταν εκτελούν εργασία στην πραγματικότητα για αυτό το έργο. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα μέρος της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια λόγω της αντίστασης των αντικειμένων. Αυτό είναι ένα θερμοδυναμικά αυθόρμητο φαινόμενο, ενώ η μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε άλλες μορφές ενέργειας είναι ένα μη αυθόρμητο φαινόμενο. Με άλλα λόγια, ένα μέρος της ενέργειας που οι άνθρωποι αντιλαμβάνονται ως χρήσιμη σπαταλιέται κάθε φορά που χρησιμοποιείται. Αυτή η φυσική σπατάλη ενέργειας επηρεάζει βαθιά κάθε πτυχή της ζωής μας. Κατά συνέπεια, η ανθρωπότητα αναζητά εδώ και καιρό τρόπους για να μειώσει την απώλεια ενέργειας και να χρησιμοποιήσει την ενέργεια πιο αποτελεσματικά.
Τι θα γινόταν, λοιπόν, αν υπήρχε ένα υλικό που θα μπορούσε να αποτρέψει αυτή την σπατάλη; Για την ηλεκτρική ενέργεια συγκεκριμένα, υπάρχει ένα τέτοιο υλικό—ένα που εξαλείφει την απώλεια ενέργειας. Αυτό το υλικό είναι ένας υπεραγωγός. Ένας υπεραγωγός είναι ένας αγωγός που εμφανίζει υπεραγωγιμότητα κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία (που ονομάζεται κρίσιμη θερμοκρασία). Η υπεραγωγιμότητα είναι το φαινόμενο όπου η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού πέφτει στο μηδέν και το υλικό γίνεται διαμαγνητικό. Ο διαμαγνητισμός είναι το φαινόμενο όπου ένα υλικό απωθεί ένα εσωτερικό μαγνητικό πεδίο. Εάν ένα αντικείμενο διαθέτει διαμαγνητικές ιδιότητες, ένα μαγνητικό πεδίο δεν μπορεί να διεισδύσει στο εσωτερικό του. Οι υπεραγωγοί ταξινομούνται σε υπεραγωγούς Τύπου Ι και Τύπου II. Ένας υπεραγωγός Τύπου Ι είναι αυτός που εμποδίζει εντελώς οποιοδήποτε μαγνητικό πεδίο να διεισδύσει στο εσωτερικό του. Ένας υπεραγωγός Τύπου II είναι αυτός που επιτρέπει σε κάποιο μαγνητικό πεδίο να διεισδύσει στο εσωτερικό του. Με άλλα λόγια, ένας υπεραγωγός Τύπου II είναι ένα υλικό που διατηρεί την υπεραγωγιμότητα χωρίς να εμφανίζει τέλειο διαμαγνητισμό. Οι υπεραγωγοί Τύπου Ι είναι ως επί το πλείστον καθαρές ουσίες, ενώ οι υπεραγωγοί Τύπου II είναι γενικά συνθετικά υλικά που δημιουργούνται ανάλογα με τις ανάγκες. Οι περισσότερες τεχνολογίες που χρησιμοποιούν υπεραγωγούς χρησιμοποιούν υπεραγωγούς Τύπου II.
Πώς ανακαλύφθηκαν οι υπεραγωγοί; Όπως πολλές άλλες ανακαλύψεις, η ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας έγινε τυχαία. Το 1911, η Ολλανδή φυσικός Heike Kamerlingh Onnes διεξήγαγε πειράματα σχετικά με τη σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας του στερεού υδραργύρου και της ηλεκτρικής του αντίστασης. Η Heike Kamerlingh Onnes ανακάλυψε ότι η αντίσταση του υδραργύρου μειωνόταν γραμμικά με τη θερμοκρασία καθώς η θερμοκρασία έπεφτε. Ωστόσο, όταν η θερμοκρασία του υδραργύρου έφτασε τους 4.2K, η αντίσταση έπεσε ξαφνικά στο μηδέν. Αυτή η ανακάλυψη προκάλεσε μεγάλο σοκ στην κοινότητα των φυσικών εκείνης της εποχής και πυροδότησε μια νέα κατανόηση των φυσικών φαινομένων που συμβαίνουν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Μετά την πρώτη παρατήρηση της υπεραγωγιμότητας, το 1933, οι Fritz Walther Meißner και Robert Ochsenfeld ανακάλυψαν ότι οι υπεραγωγοί Τύπου Ι εμφανίζουν διαμαγνητικές ιδιότητες. Αυτή η ανακάλυψη παρείχε τη βάση για μια βαθύτερη κατανόηση των υπεραγωγών. Το εύρημά τους σηματοδότησε ένα σημαντικό σημείο καμπής στην έρευνα για την υπεραγωγιμότητα και ώθησε την ενεργό έρευνα για τις πιθανές εμπορικές εφαρμογές των υπεραγωγών. Στη συνέχεια, το 1950, οι Lev Landau και Vitaly Ginzburg δημοσίευσαν μια θεωρία που εξηγούσε τις ιδιότητες των υπεραγωγών. Ο Alexey Abrikosov προέβλεψε, με βάση αυτή τη θεωρία, ότι οι υπεραγωγοί θα ταξινομούνταν σε δύο τύπους. Το 1962, αναπτύχθηκε ο πρώτος εμπορικός υπεραγωγός. Έκτοτε, οι μηχανικοί προσπαθούν να αναπτύξουν υπεραγωγούς που εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου.
Οι υπεραγωγοί τύπου Ι είναι σχεδόν αδύνατο να εφαρμοστούν εμπορικά λόγω των ιδιοτήτων τους. Αντίθετα, οι υπεραγωγοί τύπου II εφαρμόζονται σε διάφορους τομείς. Ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα εφαρμογών υπεραγώγιμων είναι ο υπεραγώγιμος ηλεκτρομαγνήτης. Ένας ηλεκτρομαγνήτης είναι ένας μαγνήτης που μαγνητίζεται μόνο όταν ρέει ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτόν. Οι ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιούνται σε ηχεία και παρόμοιες συσκευές. Η χρήση ενός υπεραγωγού, ο οποίος έχει μηδενική αντίσταση, για την κατασκευή ενός ηλεκτρομαγνήτη μπορεί να αποτρέψει την σπατάλη ενέργειας κατά τη λειτουργία του. Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται επίσης σε κυκλώματα. Τα κυκλώματα που χρησιμοποιούν υπεραγωγούς λειτουργούν ταχύτερα από εκείνα χωρίς αυτούς. Η ταχύτερη λειτουργία κυκλώματος όχι μόνο μειώνει τους πειραματικούς χρόνους κατά τη χρήση του κυκλώματος, αλλά επιτρέπει επίσης την ανάπτυξη ταχύτερων ηλεκτρονικών συσκευών.
Εάν αναπτυχθεί ένας υπεραγωγός που παρουσιάζει υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου, το υλικό αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε διάφορους τομείς, όπως γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, πυκνωτές, μετασχηματιστές, συρμούς μαγνητικής αιώρησης και κινητήρες. Τα υπεραγώγιμα σύρματα εξαλείφουν την απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη μετάδοση ισχύος. Η εξάλειψη της περιττής απώλειας ενέργειας σημαίνει ότι πρέπει να παράγεται λιγότερη ενέργεια, αποτρέποντας την σπατάλη πόρων.
Τα τρένα Maglev που χρησιμοποιούν υπεραγωγούς μπορούν να ταξιδεύουν με εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες. Αυτό θα συμβάλει στην πρόοδο των μεταφορών. Επί του παρόντος, οι μηχανικοί έχουν αυξήσει την κρίσιμη θερμοκρασία των υπεραγωγών στους 52K και η έρευνα συνεχίζεται. Ο υπεραγωγός, που ανακαλύφθηκε τυχαία από την Heike Kamerlingh Onnes, έχει επίσης αφήσει ένα σημαντικό σημάδι στην ιστορία της επιστήμης για τη σύγχρονη κοινωνία που αντιμετωπίζει ενεργειακές κρίσεις.
Από την ανακάλυψη των υπεραγωγών, έχουν επηρεάσει βαθιά όχι μόνο τη φυσική, αλλά και ποικίλους τομείς όπως η ηλεκτρολογία και η επιστήμη των υλικών. Οι υπεραγωγοί δεν αποτελούν πλέον απλώς αντικείμενα φυσικής περιέργειας. Έχουν γίνει σημαντικά τεχνολογικά εργαλεία με δυνατότητες πρακτικής εφαρμογής. Επιπλέον, παρουσιάζουν μεγάλες δυνατότητες να συμβάλουν σημαντικά στην κοινωνική ανάπτυξη. Στον σημερινό κόσμο, όπου η αλόγιστη χρήση περιορισμένων πόρων είναι προβληματική, η ανάπτυξη υπεραγωγών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε θερμοκρασία δωματίου θεωρείται κρίσιμη. Εάν οι μηχανικοί αναπτύξουν υλικά που παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου, η ανθρωπότητα θα κάνει ένα ακόμη βήμα μπροστά στην εξέλιξή της. Καθώς οι εμπορικές εφαρμογές των υπεραγωγών επεκτείνονται, θα είμαστε σε θέση να χρησιμοποιούμε την ενέργεια με πιο αποτελεσματικούς και βιώσιμους τρόπους. Αυτό θα διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην επίλυση πολλών από τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα, ιδίως εκείνων που σχετίζονται με την ενέργεια και το περιβάλλον.
