W tym wpisie na blogu zajmiemy się tym, w jaki sposób nadprzewodniki rozwiązują problem strat energii i jakie zmiany mogą przynieść naszemu społeczeństwu i technologii.
Współczesna nauka głosi, że energia jest zachowana w całym wszechświecie. Jednak energia użyteczna dla ludzkości często przekształca się w energię bezużyteczną. W życiu codziennym nie cała energia zużywana przez ludzi podczas wykonywania pracy jest faktycznie wykorzystywana do jej realizacji. Dzieje się tak, ponieważ część energii przekształca się w energię cieplną pod wpływem oporu stawianego przez obiekty. Jest to zjawisko spontaniczne z termodynamicznego punktu widzenia, podczas gdy przekształcanie energii cieplnej w inne formy energii jest zjawiskiem niespontanicznym. Innymi słowy, część energii, którą ludzie postrzegają jako użyteczną, jest marnowana za każdym razem, gdy jest wykorzystywana. To naturalne marnotrawstwo energii ma głęboki wpływ na każdy aspekt naszego życia. W związku z tym ludzkość od dawna poszukuje sposobów na ograniczenie strat energii i jej bardziej efektywne wykorzystanie.
A co jeśli istniałby materiał, który mógłby zapobiec tym stratom? W przypadku energii elektrycznej, taki materiał istnieje – taki, który eliminuje straty energii. Tym materiałem jest nadprzewodnik. Nadprzewodnik to przewodnik, który wykazuje nadprzewodnictwo poniżej określonej temperatury (zwanej temperaturą krytyczną). Nadprzewodnictwo to zjawisko, w którym opór elektryczny materiału spada do zera i materiał staje się diamagnetyczny. Diamagnetyzm to zjawisko, w którym materiał odpycha wewnętrzne pole magnetyczne. Jeśli obiekt posiada właściwości diamagnetyczne, pole magnetyczne nie może przeniknąć do jego wnętrza. Nadprzewodniki klasyfikuje się na nadprzewodniki typu I i typu II. Nadprzewodnik typu I to taki, który całkowicie uniemożliwia przenikanie pola magnetycznego do jego wnętrza. Nadprzewodnik typu II to taki, który pozwala, aby część pola magnetycznego przenikała do jego wnętrza. Innymi słowy, nadprzewodnik typu II to materiał, który zachowuje nadprzewodnictwo bez wykazywania idealnego diamagnetyzmu. Nadprzewodniki typu I to głównie substancje czyste, podczas gdy nadprzewodniki typu II to zazwyczaj materiały syntetyczne, tworzone w razie potrzeby. Większość technologii wykorzystujących nadprzewodniki opiera się na nadprzewodnikach typu II.
Jak odkryto nadprzewodniki? Podobnie jak wiele innych odkryć, odkrycie nadprzewodnictwa nastąpiło przez przypadek. W 1911 roku holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes przeprowadził eksperymenty dotyczące zależności między temperaturą stałej rtęci a jej oporem elektrycznym. Heike Kamerlingh Onnes odkrył, że opór rtęci maleje liniowo wraz ze spadkiem temperatury. Jednak gdy temperatura rtęci osiągnęła 4.2 K, opór nagle spadł do zera. To odkrycie wywołało ogromny szok w ówczesnej społeczności fizyków i zapoczątkowało nowe rozumienie zjawisk fizycznych zachodzących w ekstremalnie niskich temperaturach.
Po pierwszej obserwacji nadprzewodnictwa, w 1933 roku, Fritz Walther Meißner i Robert Ochsenfeld odkryli, że nadprzewodniki typu I wykazują właściwości diamagnetyczne. Odkrycie to stworzyło podwaliny pod głębsze zrozumienie nadprzewodników. Ich odkrycie stanowiło punkt zwrotny w badaniach nad nadprzewodnictwem i pobudziło aktywne badania nad potencjalnymi komercyjnymi zastosowaniami nadprzewodników. Następnie, w 1950 roku, Lew Landau i Witalij Ginzburg opublikowali teorię wyjaśniającą właściwości nadprzewodników. Aleksiej Abrikosow przewidział, opierając się na tej teorii, że nadprzewodniki zostaną podzielone na dwa typy. W 1962 roku opracowano pierwszy komercyjny nadprzewodnik. Od tego czasu inżynierowie dążą do opracowania nadprzewodników wykazujących nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej.
Nadprzewodniki typu I są praktycznie niemożliwe do zastosowania komercyjnego ze względu na swoje właściwości. Natomiast nadprzewodniki typu II znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach. Typowym przykładem zastosowań nadprzewodników jest nadprzewodzący elektromagnes. Elektromagnes to magnes, który ulega namagnesowaniu tylko pod wpływem przepływu prądu elektrycznego. Elektromagnesy są stosowane w głośnikach i podobnych urządzeniach. Zastosowanie nadprzewodnika o zerowej rezystancji do wytworzenia elektromagnesu pozwala zapobiec stratom energii podczas jego działania. Nadprzewodniki są również stosowane w obwodach. Obwody wykorzystujące nadprzewodniki działają szybciej niż te bez nich. Szybsze działanie obwodów nie tylko skraca czas eksperymentów, ale także umożliwia rozwój szybszych urządzeń elektronicznych.
Jeśli zostanie opracowany nadprzewodnik wykazujący nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, materiał ten mógłby znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak linie przesyłowe, kondensatory, transformatory, pociągi z poduszką magnetyczną i silniki. Przewody nadprzewodzące eliminują straty energii elektrycznej podczas przesyłu. Eliminacja niepotrzebnych strat energii oznacza mniejsze zapotrzebowanie na energię, zapobiegając marnotrawstwu zasobów.
Pociągi magnetyczne wykorzystujące nadprzewodniki mogą poruszać się z ultrawysokimi prędkościami. Przyczyni się to do rozwoju transportu. Obecnie inżynierowie podnieśli temperaturę krytyczną nadprzewodników do 52 K, a badania wciąż trwają. Nadprzewodnik, odkryty przypadkowo przez Heike Kamerlingh Onnes, pozostawił również znaczący ślad w historii nauki dla współczesnego społeczeństwa zmagającego się z kryzysami energetycznymi.
Od czasu odkrycia nadprzewodników, wywarły one głęboki wpływ nie tylko na fizykę, ale także na różne dziedziny, takie jak elektrotechnika i materiałoznawstwo. Nadprzewodniki nie są już jedynie obiektem fizycznej ciekawości; stały się ważnymi narzędziami technologicznymi o potencjale praktycznego zastosowania. Co więcej, wykazują ogromny potencjał, aby znacząco przyczynić się do rozwoju społecznego. W dzisiejszym świecie, gdzie nierozważne wykorzystywanie ograniczonych zasobów jest problematyczne, rozwój nadprzewodników nadających się do użytku w temperaturze pokojowej jest uważany za kluczowy. Jeśli inżynierowie opracują materiały wykazujące nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, ludzkość zrobi kolejny krok naprzód w swojej ewolucji. Wraz z rozwojem komercyjnych zastosowań nadprzewodników będziemy mogli wykorzystywać energię w bardziej efektywny i zrównoważony sposób. Odegra to kluczową rolę w rozwiązaniu wielu problemów stojących przed ludzkością, zwłaszcza tych związanych z energią i środowiskiem.
