Ta objava na blogu raziskuje, kako superprevodniki rešujejo težave z izgubo energije in kakšne spremembe bi lahko prinesli naši družbi in tehnologiji.
Sodobna znanost trdi, da se energija ohranja v celotnem vesolju. Vendar pa se energija, ki je koristna za človeštvo, pogosto pretvori v neuporabno energijo. V vsakdanjem življenju se vsa energija, ki jo ljudje porabijo za opravljanje dela, dejansko ne porabi za to delo. To je zato, ker se del energije zaradi upora predmetov pretvori v toplotno energijo. To je termodinamično spontan pojav, medtem ko pretvorba toplotne energije v druge oblike energije ni spontan pojav. Z drugimi besedami, del energije, ki jo ljudje dojemajo kot koristno, se vsakič, ko jo porabimo, zapravi. Ta naravna potrata energije močno vpliva na vse vidike našega življenja. Zato človeštvo že dolgo išče načine za zmanjšanje izgub energije in učinkovitejšo uporabo energije.
Kaj pa, če bi obstajal material, ki bi lahko preprečil to izgubo? Za električno energijo natančneje obstaja tak material – tak, ki odpravlja izgubo energije. Ta material je superprevodnik. Superprevodnik je prevodnik, ki kaže superprevodnost pod določeno temperaturo (imenovano kritična temperatura). Superprevodnost je pojav, pri katerem električni upor materiala pade na nič in material postane diamagneten. Diamagnetizem je pojav, pri katerem material odbija notranje magnetno polje. Če ima predmet diamagnetne lastnosti, magnetno polje ne more prodreti v njegovo notranjost. Superprevodniki so razdeljeni na superprevodnike tipa I in tipa II. Superprevodnik tipa I je tisti, ki popolnoma preprečuje prodiranje magnetnega polja v njegovo notranjost. Superprevodnik tipa II je tisti, ki omogoča, da nekaj magnetnega polja prodre v njegovo notranjost. Z drugimi besedami, superprevodnik tipa II je material, ki ohranja superprevodnost, ne da bi pri tem kazal popoln diamagnetizem. Superprevodniki tipa I so večinoma čiste snovi, medtem ko so superprevodniki tipa II običajno sintetični materiali, ustvarjeni po potrebi. Večina tehnologij, ki uporabljajo superprevodnike, uporablja superprevodnike tipa II.
Kako so bili odkriti superprevodniki? Kot mnoga druga odkritja se je tudi odkritje superprevodnosti zgodilo po naključju. Leta 1911 je nizozemska fizičarka Heike Kamerlingh Onnes izvedla poskuse o razmerju med temperaturo trdnega živega srebra in njegovo električno upornostjo. Heike Kamerlingh Onnes je odkrila, da se upornost živega srebra linearno zmanjšuje s temperaturo, ko se je temperatura zniževala. Ko pa je temperatura živega srebra dosegla 4.2 K, je upornost nenadoma padla na nič. To odkritje je v takratni fizikalni skupnosti povzročilo velik šok in sprožilo novo razumevanje fizikalnih pojavov, ki se dogajajo pri izjemno nizkih temperaturah.
Po prvem opazovanju superprevodnosti leta 1933 sta Fritz Walther Meißner in Robert Ochsenfeld odkrila, da imajo superprevodniki tipa I diamagnetne lastnosti. To odkritje je postavilo temelje za globlje razumevanje superprevodnikov. Njuno odkritje je pomenilo pomembno prelomnico v raziskavah superprevodnosti in spodbudilo aktivno raziskovanje potencialnih komercialnih uporab superprevodnikov. Leta 1950 sta Lev Landau in Vitalij Ginzburg objavila teorijo, ki pojasnjuje lastnosti superprevodnikov. Aleksej Abrikosov je na podlagi te teorije napovedal, da bodo superprevodniki razvrščeni v dve vrsti. Leta 1962 je bil razvit prvi komercialni superprevodnik. Od takrat si inženirji prizadevajo razviti superprevodnike, ki kažejo superprevodnost pri sobni temperaturi.
Superprevodnike tipa I je zaradi njihovih lastnosti skoraj nemogoče komercialno uporabiti. Nasprotno pa se superprevodniki tipa II uporabljajo na različnih področjih. Reprezentativen primer uporabe superprevodnikov je superprevodni elektromagnet. Elektromagnet je magnet, ki se namagneti le, ko skozenj teče električni tok. Elektromagneti se uporabljajo v zvočnikih in podobnih napravah. Uporaba superprevodnika, ki ima ničelno upornost, za izdelavo elektromagneta lahko prepreči izgubo energije med njegovim delovanjem. Superprevodniki se uporabljajo tudi v vezjih. Vezja, ki uporabljajo superprevodnike, delujejo hitreje kot tista brez njih. Hitrejše delovanje vezja ne le skrajša eksperimentalne čase pri uporabi vezja, temveč omogoča tudi razvoj hitrejših elektronskih naprav.
Če bi razvili superprevodnik, ki bi kazal superprevodnost pri sobni temperaturi, bi ga lahko uporabili na različnih področjih, kot so daljnovodi, kondenzatorji, transformatorji, vlaki z magnetno levitacijo in motorji. Superprevodne žice odpravljajo izgube električne energije med prenosom energije. Odprava nepotrebnih izgub energije pomeni, da je treba proizvesti manj energije, kar preprečuje zapravljanje virov.
Maglev vlaki, ki uporabljajo superprevodnike, lahko potujejo z ultra visokimi hitrostmi. To bo prispevalo k napredku prometa. Trenutno so inženirji dvignili kritično temperaturo superprevodnikov na 52 K, raziskave pa se nadaljujejo. Superprevodnik, ki ga je po naključju odkrila Heike Kamerlingh Onnes, je pustil pomemben pečat v zgodovini znanosti tudi za sodobno družbo, ki se sooča z energetskimi krizami.
Od odkritja superprevodnikov so ti močno vplivali ne le na fiziko, temveč tudi na različna področja, kot sta elektrotehnika in znanost o materialih. Superprevodniki niso več zgolj predmet fizične radovednosti; postali so pomembna tehnološka orodja s praktičnim potencialom uporabe. Poleg tega kažejo velik potencial, da pomembno prispevajo k družbenemu razvoju. V današnjem svetu, kjer je nepremišljena uporaba omejenih virov problematična, se razvoj superprevodnikov, uporabnih pri sobni temperaturi, šteje za ključnega pomena. Če bodo inženirji razvili materiale, ki kažejo superprevodnost pri sobni temperaturi, bo človeštvo naredilo še en korak naprej v svojem razvoju. Z razširitvijo komercialne uporabe superprevodnikov bomo lahko energijo uporabljali na učinkovitejši in trajnostnejši način. To bo imelo ključno vlogo pri reševanju številnih problemov, s katerimi se sooča človeštvo, zlasti tistih, povezanih z energijo in okoljem.
