Dette blogginnlegget utforsker hvordan superledere håndterer problemer med energitap og hvilke endringer de kan føre til i samfunnet og teknologien vår.
Moderne vitenskap hevder at energi er bevart i hele universet. Energi som er nyttig for menneskeheten omdannes imidlertid ofte til ubrukelig energi. I dagliglivet blir ikke all energien folk bruker når de utfører arbeid, faktisk brukt til det arbeidet. Dette er fordi noe energi omdannes til varmeenergi på grunn av motstanden til objekter. Dette er et termodynamisk spontant fenomen, mens omdannelsen av varmeenergi til andre former for energi er et ikke-spontan fenomen. Med andre ord, noe av energien som folk oppfatter som nyttig, går til spille hver gang den brukes. Denne naturlige energisløsingen påvirker alle aspekter av livene våre dyptgående. Følgelig har menneskeheten lenge søkt måter å redusere energitap og bruke energi mer effektivt.
Så, hva om det fantes et materiale som kunne forhindre dette sløsingen? Spesielt for elektrisk energi finnes det et slikt materiale – et som eliminerer energitap. Dette materialet er en superleder. En superleder er en leder som viser superledningsevne under en bestemt temperatur (kalt kritisk temperatur). Superledningsevne er fenomenet der et materiales elektriske motstand synker til null og materialet blir diamagnetisk. Diamagnetisme er fenomenet der et materiale frastøter et indre magnetfelt. Hvis et objekt har diamagnetiske egenskaper, kan ikke et magnetfelt trenge inn i dets indre. Superledere klassifiseres i type I og type II superledere. En type I superleder er en som fullstendig forhindrer at et magnetfelt trenger inn i dets indre. En type II superleder er en som lar et magnetfelt trenge inn i dets indre. Med andre ord er en type II superleder et materiale som opprettholder superledningsevne uten å vise perfekt diamagnetisme. Type I superledere er for det meste rene stoffer, mens type II superledere generelt er syntetiske materialer som lages etter behov. De fleste teknologier som bruker superledere, bruker type II superledere.
Hvordan ble superledere oppdaget? Som mange andre oppdagelser skjedde oppdagelsen av superledning ved en tilfeldighet. I 1911 utførte den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes eksperimenter på forholdet mellom temperaturen til fast kvikksølv og dens elektriske motstand. Heike Kamerlingh Onnes oppdaget at kvikksølvs motstand minket lineært med temperaturen etter hvert som temperaturen falt. Men da kvikksølvets temperatur nådde 4.2 K, falt motstanden plutselig til null. Denne oppdagelsen forårsaket et stort sjokk i fysikkmiljøet på den tiden og utløste en ny forståelse av de fysiske fenomenene som oppstår ved ekstremt lave temperaturer.
Etter den første observasjonen av superledning, i 1933, oppdaget Fritz Walther Meißner og Robert Ochsenfeld at type I superledere har diamagnetiske egenskaper. Denne oppdagelsen ga grunnlaget for en dypere forståelse av superledere. Funnet deres markerte et viktig vendepunkt i superledningsforskning og ansporet til aktiv undersøkelse av potensielle kommersielle anvendelser av superledere. Deretter, i 1950, publiserte Lev Landau og Vitaly Ginzburg en teori som forklarte egenskapene til superledere. Alexey Abrikosov forutså, basert på denne teorien, at superledere ville bli klassifisert i to typer. I 1962 ble den første kommersielle superlederen utviklet. Siden den gang har ingeniører forsøkt å utvikle superledere som viser superledningsevne ved romtemperatur.
Type I superledere er nesten umulige å bruke kommersielt på grunn av egenskapene sine. I motsetning til dette brukes type II superledere innen ulike felt. Et representativt eksempel på superledende anvendelser er den superledende elektromagneten. En elektromagnet er en magnet som bare magnetiseres når en elektrisk strøm flyter gjennom den. Elektromagneter brukes i høyttalere og lignende enheter. Bruk av en superleder, som har null motstand, for å lage en elektromagnet kan forhindre strømsløsing under driften. Superledere brukes også i kretser. Kretser som bruker superledere opererer raskere enn de uten dem. Raskere kretsdrift forkorter ikke bare eksperimentelle tider når kretsen brukes, men muliggjør også utvikling av raskere elektroniske enheter.
Hvis en superleder som viser superledningsevne ved romtemperatur utvikles, kan dette materialet brukes innen ulike felt, som kraftoverføringslinjer, kondensatorer, transformatorer, magnetiske levitasjonstog og motorer. Superledende ledninger eliminerer elektrisk energitap under kraftoverføring. Å eliminere unødvendig energitap betyr at mindre strøm må genereres, noe som forhindrer ressurssløsing.
Maglev-tog som bruker superledere kan kjøre i ultrahøye hastigheter. Dette vil bidra til fremskritt innen transport. Ingeniører har for tiden hevet den kritiske temperaturen til superledere til 52 K, og forskningen fortsetter. Superlederen, som ble oppdaget ved en tilfeldighet av Heike Kamerlingh Onnes, har også satt et betydelig preg på vitenskapens historie for det moderne samfunnet som står overfor energikriser.
Siden oppdagelsen av superledere har de hatt en dyp innflytelse ikke bare på fysikk, men også på ulike felt som elektroteknikk og materialvitenskap. Superledere er ikke lenger bare gjenstander for fysisk kuriositet; de har blitt viktige teknologiske verktøy med praktisk anvendelsespotensial. Dessuten viser de et stort potensial til å bidra betydelig til samfunnsutviklingen. I dagens verden, hvor hensynsløs bruk av begrensede ressurser er problematisk, anses utviklingen av superledere som kan brukes ved romtemperatur som avgjørende. Hvis ingeniører utvikler materialer som viser superledningsevne ved romtemperatur, vil menneskeheten ta et nytt skritt fremover i sin utvikling. Etter hvert som de kommersielle anvendelsene av superledere utvides, vil vi kunne bruke energi på mer effektive og bærekraftige måter. Dette vil spille en avgjørende rolle i å løse mange av problemene menneskeheten står overfor, spesielt de som er knyttet til energi og miljø.
