Tässä blogikirjoituksessa tarkastellaan, miten suprajohteet ratkaisevat energiahäviöongelmia ja mitä muutoksia ne voisivat tuoda yhteiskuntaamme ja teknologiaamme.
Nykyaikainen tiede väittää, että energia säilyy koko maailmankaikkeudessa. Ihmiskunnalle hyödyllinen energia kuitenkin muuttuu usein hyödyttömäksi energiaksi. Arkielämässä kaikkea ihmisten työssä käyttämää energiaa ei todellisuudessa käytetä kyseiseen työhön. Tämä johtuu siitä, että osa energiasta muuttuu lämpöenergiaksi esineiden vastuksen vuoksi. Tämä on termodynaamisesti spontaani ilmiö, kun taas lämpöenergian muuntuminen muiksi energiamuodoiksi ei ole spontaani ilmiö. Toisin sanoen osa energiasta, jota ihmiset pitävät hyödyllisenä, menee hukkaan joka kerta, kun sitä käytetään. Tämä luonnollinen energian tuhlaaminen vaikuttaa syvästi kaikkiin elämämme osa-alueisiin. Tämän seurauksena ihmiskunta on jo pitkään etsinyt tapoja vähentää energiahävikkiä ja käyttää energiaa tehokkaammin.
Mitä jos olisi olemassa materiaali, joka voisi estää tämän hukan? Erityisesti sähköenergian osalta tällainen materiaali on olemassa – sellainen, joka eliminoi energiahäviön. Tämä materiaali on suprajohde. Suprajohde on johde, jolla on suprajohtavuutta tietyn lämpötilan alapuolella (jota kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi). Suprajohtavuus on ilmiö, jossa materiaalin sähkövastus laskee nollaan ja materiaalista tulee diamagneettinen. Diamagnetismi on ilmiö, jossa materiaali hylkii sisäistä magneettikenttää. Jos kappaleella on diamagneettisia ominaisuuksia, magneettikenttä ei voi tunkeutua sen sisäosiin. Suprajohteet luokitellaan tyypin I ja tyypin II suprajohteisiin. Tyypin I suprajohde on sellainen, joka estää täysin minkä tahansa magneettikentän tunkeutumisen sen sisäosiin. Tyypin II suprajohde on sellainen, joka päästää jonkin magneettikentän tunkeutumaan sisäänsä. Toisin sanoen tyypin II suprajohde on materiaali, joka säilyttää suprajohtavuuden osoittamatta täydellistä diamagnetismia. Tyypin I suprajohteet ovat enimmäkseen puhtaita aineita, kun taas tyypin II suprajohteet ovat yleensä synteettisiä materiaaleja, jotka on luotu tarpeen mukaan. Useimmat suprajohteita hyödyntävät tekniikat käyttävät tyypin II suprajohteita.
Miten suprajohteet löydettiin? Kuten monet muutkin löydöt, suprajohtavuuden löytäminen tapahtui sattumalta. Vuonna 1911 hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes teki kokeita kiinteän elohopean lämpötilan ja sen sähköisen resistanssin välisestä suhteesta. Heike Kamerlingh Onnes havaitsi, että elohopean resistanssi laski lineaarisesti lämpötilan mukana lämpötilan laskiessa. Kuitenkin, kun elohopean lämpötila saavutti 4.2 K, resistanssi laski yhtäkkiä nollaan. Tämä löytö aiheutti suuren järkytyksen fyysikkoyhteisössä tuolloin ja sytytti uuden ymmärryksen erittäin matalissa lämpötiloissa tapahtuvista fysikaalisista ilmiöistä.
Ensimmäisen suprajohtavuushavainnon jälkeen vuonna 1933 Fritz Walther Meißner ja Robert Ochsenfeld havaitsivat, että tyypin I suprajohteilla on diamagneettisia ominaisuuksia. Tämä löytö loi pohjan suprajohteiden syvemmälle ymmärtämiselle. Heidän löytönsä merkitsi merkittävää käännekohtaa suprajohtavuustutkimuksessa ja kannusti aktiivista tutkimusta suprajohteiden mahdollisista kaupallisista sovelluksista. Myöhemmin, vuonna 1950, Lev Landau ja Vitali Ginzburg julkaisivat teorian, joka selitti suprajohteiden ominaisuuksia. Aleksei Abrikosov ennusti tämän teorian perusteella, että suprajohteet luokiteltaisiin kahteen tyyppiin. Vuonna 1962 kehitettiin ensimmäinen kaupallinen suprajohde. Siitä lähtien insinöörit ovat pyrkineet kehittämään suprajohteita, jotka osoittavat suprajohtavuutta huoneenlämmössä.
Tyypin I suprajohteita on lähes mahdotonta soveltaa kaupallisesti niiden ominaisuuksien vuoksi. Sitä vastoin tyypin II suprajohteita käytetään useilla eri aloilla. Tyypillinen esimerkki suprajohtavista sovelluksista on suprajohtava sähkömagneetti. Sähkömagneetti on magneetti, joka magnetoituu vain, kun sähkövirta kulkee sen läpi. Sähkömagneetteja käytetään kaiuttimissa ja vastaavissa laitteissa. Sähkömagneetin valmistaminen suprajohteesta, jonka resistanssi on nolla, voi estää tehonhukkaa sen toiminnan aikana. Suprajohteita käytetään myös piireissä. Suprajohteita käyttävät piirit toimivat nopeammin kuin ne, joissa niitä ei ole. Nopeampi piirin toiminta ei ainoastaan lyhennä kokeiluaikoja piiriä käytettäessä, vaan myös mahdollistaa nopeampien elektronisten laitteiden kehittämisen.
Jos kehitetään huoneenlämmössä suprajohtava suprajohde, tätä materiaalia voitaisiin hyödyntää useilla aloilla, kuten voimansiirtolinjoissa, kondensaattoreissa, muuntajissa, magneettijunissa ja moottoreissa. Suprajohtavat johdot poistavat sähköenergian häviön sähkönsiirron aikana. Tarpeettoman energian häviön poistaminen tarkoittaa, että tarvitaan vähemmän tehoa, mikä estää resurssien tuhlausta.
Suprajohteita käyttävät Maglev-junat voivat kulkea erittäin suurilla nopeuksilla. Tämä edistää liikenteen kehitystä. Tällä hetkellä insinöörit ovat nostaneet suprajohteiden kriittisen lämpötilan 52 K:iin, ja tutkimus jatkuu. Heike Kamerlingh Onnesin vahingossa löytämä suprajohde on myös jättänyt merkittävän jäljen tieteen historiaan nykyaikaiselle yhteiskunnalle, joka kohtaa energiakriisejä.
Suprajohteiden löytämisen jälkeen ne ovat vaikuttaneet syvällisesti paitsi fysiikkaan myös moniin eri aloihin, kuten sähkötekniikkaan ja materiaalitieteeseen. Suprajohteet eivät ole enää pelkästään fysiikan uteliaisuuden kohteita; niistä on tullut tärkeitä teknologisia työkaluja, joilla on käytännön sovelluspotentiaalia. Lisäksi niillä on suuri potentiaali edistää merkittävästi yhteiskunnallista kehitystä. Nykymaailmassa, jossa rajallisten resurssien holtiton käyttö on ongelmallista, huoneenlämmössä käyttökelpoisten suprajohteiden kehittämistä pidetään ratkaisevan tärkeänä. Jos insinöörit kehittävät materiaaleja, jotka osoittavat suprajohtavuutta huoneenlämmössä, ihmiskunta ottaa uuden askeleen eteenpäin kehityksessään. Suprajohteiden kaupallisten sovellusten laajentuessa pystymme käyttämään energiaa tehokkaammin ja kestävämmin. Tällä on ratkaiseva rooli monien ihmiskunnan kohtaamien ongelmien ratkaisemisessa, erityisesti energiaan ja ympäristöön liittyvien ongelmien.
