Supravodivé materiály a ich využitie


Supravodivé materiály a ich využitie

Príbeh o materiáloch, ktoré bez odporu vedú elektrický prúd, sa začal v roku 1911, keď holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes objavil supravodivosť ortuti. Technológie rozvíjajúce sa na základe jeho objavu skvalitnili život väčšine svetovej populácie a neustále sa zdokonaľujú.

Celkový počet materiálov so supravodivými vlastnosťami sa v súčasnosti odhaduje na niekoľko tisíc. 

Realizácia silných magnetických polí v prístrojoch vyšetrujúcich pacientov pomocou magnetickej rezonancie by si bez supravodičov vyžadovala cievky vo veľkosti rodinného domu. 

Na začiatku 20. storočia sa v laboratóriu v holandskom Leidene podarilo vedcom skvapalniť hélium a s teplotou pod 0,9 K sa dostali blízko k absolútnej nule. Keď ochladzovali ortuť tekutým héliom, ukázala ručička prístroja na meranie odporu náhly pád na nulu. Tým pádom sa v roku 1911 začal príbeh, ktorý pokračoval o dva roky neskôr udelením Nobelovej ceny autorovi objavu supravodivosti – H. K. Onnesovi. V súčasnosti už existujú tisícky supravodičov využívajúcich tento objav. V niektorých aplikáciách, ako sú napríklad výkonné magnety v medicínskej diagnostike, ide o materiály podieľajúce sa na záchrane životov.

Začalo sa to nulou

Ak vás zaujíma, aké skupiny supravodivých materiálov poznáme a aké je ich využitie, začneme od nuly – pripomenutím základných faktov o jave, pri ktorom elektrický odpor klesne úplne na nulu.

H. K. Onnes (vľavo) skúmal závislosť elektrického odporu materiálov od teploty. Blízko absolútnej teplotnej nuly klesne odpor bežných materiálov (napr. zlata) na nízku, ale nenulovú hodnotu. Niektoré materiály sa však správajú inak: pri schladení pod tzv. kritickú teplotu (Tc) sa stávajú supravodivými, teda ich odpor náhle poklesne presne na nulu (napr. ortuť).

 

Prvý objavený supravodič mal to najjednoduchšie zloženie: išlo o čistú ortuť, teda chemický prvok. Náročné chladenie čistých prvkov však bolo značnou prekážkou praktického využitia supravodivého javu a tak sa začal intenzívny výskum supravodivých vlastností pokročilejších materiálov. Supravodiče sme v orientačnom prehľade rozdelili do skupín podľa rastúcej zložitosti ich štruktúry. Na obrázku vidíme, že komplikovanejšia štruktúra, a tým zvyčajne aj náročnejšia príprava, býva vyvážená zaujímavými vlastnosťami, napríklad rastúcou kritickou teplotou, a z toho vyplývajúcimi širšími možnosťami praktického využitia.

Prehľad kritických teplôt a roku objavenia vybraných supravodičov. Na chladenie štyroch vybraných supravodivých materiálov s najvyššou kritickou teplotou (nad 77 K) postačuje ľahko dostupný kvapalný dusík.

Niób nad zlato

Z prvkov zobrazených v periodickej tabuľke má po ochladení a za normálneho tlaku supravodivé vlastnosti len 31 z nich, teda približne tretina. Kritické teploty čistých prvkov sa pohybujú v blízkosti absolútnej nuly, od niekoľkých stotín kelvinov, až po maximálne 9 K pre niób. To vyžaduje chladenie drahým tekutým héliom, ktorého cena v posledných dekádach neustále rastie.

Zaujímavosťou je, že pre prvky zo stredu periodickej tabuľky s najvyššou klasickou vodivosťou, ako sú meď, striebro a zlato, sa nenašli podmienky, za ktorých dokážu viesť prúd supravodivo. Keby sa teda v minulosti zaoberali supravodivosťou alchymisti, hľadali by opak kameňa mudrcov – uprednostnili by paradoxne premenu zlata na neušľachtilé kovy.

Na technické využitie supravodivosti sú v porovnaní s čistými prvkami oveľa zaujímavejšie kombinácie viacerých prvkov, najmä vo forme zliatin alebo chemických zlúčenín. Celkový počet materiálov so supravodivými vlastnosťami sa v súčasnosti odhaduje na niekoľko tisíc. Zopár z nich si predstavíme – a budú medzi nimi aj materiály,  pri ktorých by elektrickú vodivosť predtým nikto nečakal.

Supravodivosť prvkov periodickej tabuľky nesúvisí s ich vodivosťou v bežnom stave. Napríklad meď a striebro sú síce dôležité pomocné materiály v kompozitných supravodičoch, ale samy supravodivé vlastnosti nemajú. 

Kde sa dvaja zlejú, teplota vyhráva

Prípravou zliatiny, respektíve chemickým zlúčením aspoň dvoch kovových alebo polokovových prvkov sa kritická teplota supravodičov v porovnaním s jednoduchým prvkom zvýši na niekoľko desiatok kelvinov. Takto pripravené supravodiče stále vyžadujú chladenie tekutým héliom, takže sa ešte považujú za nízkoteplotné. Chladenie supravodičov je však len jeden z mnohých parametrov ovplyvňujúcich výber konkrétneho supravodivého materiálu na dané použitie. Zliatiny a kovové zlúčeniny pokrývajú viac než 90 % predaja v sektore supravodičov, predovšetkým vďaka veľmi dobre zvládnutej technológie výroby.

Drôty z nízkoteplotných supravodičov by sa dali použiť aj na prenos silovej elektrickej energie; v tejto oblasti im však začínajú vážne konkurovať keramické supravodiče, ktorým sa budeme venovať v nasledujúcej časti.

Využitie supravodivých vlastností

Výroba elektrickej energie bez nadmernej záťaže životného prostredia z takmer nevyčerpateľných zdrojov je jedným z celosvetovo najväčších vedeckých projektov. Supravodivé pásky na báze keramiky sú vážnymi kandidátmi na konštrukciu výkonných cievok pre fúzne jadrové reaktory, kde sa zatiaľ používajú nízkoteplotné supravodiče s pomerne vysokými prevádzkovými nákladmi.

Distribúcia elektriny z elektrárne na miesto spotreby je vždy spojená s fyzikálnymi stratami − časť elektrickej energie sa mení na neužitočné teplo. Nutnosť chladenia supravodičov a relatívne vysoké začiatočné náklady sú však už v niektorých prípadoch výhodnejšie pre svoje malé rozmery káblov a najmä oveľa nižšie straty vedením. Príkladom sú silové podzemné káble z vysokoteplotných supravodičov s dĺžkou až do 1 km, ktoré ako prototypy už niekoľko rokov fungujú v elektrických rozvodných sieťach väčších miest po celom svete.

Supravodivé spotrebiče v odvetví dopravy: supravodiče vylepšujú vlastnosti elektromotorov a tiež nahrádzajú klasické koľajnice s pomerne veľkým trením za magnetickú levitáciu. Vďaka vznášaniu sa dosiahol skúšobný supravodivý bezkoľajnicový vlak Maglev rekordnú rýchlosť 603 km/h (Japonsko, 2015).

Bezpečnosť: ak veľkosť prúdu presiahne kritickú hodnotu, supravodič rýchlo prejde do nesupravodivého stavu a prudkým zvýšením jeho odporu (asi 1000-krát rýchlejšie ako v prípade konvenčných riešení) dokáže účinnejšie ochrániť elektrický obvod pred účinkami skratu. Táto vlastnosť sa využíva v tzv. supravodivom obmedzovači skratových prúdov.

 

Autori:

Mgr. Michal Skarba, PhD., Univerzitný vedecký park STU v Bratislave

Dr. Ing.  Marcela Pekarčíková, Materiálovo-technologická fakulta STU so sídlom v Trnave

doc. Ing. Fedor Gömöry, DrSc., Elektrotechnický ústav SAV v Bratislave

Ilustrácie: Marcela Pekarčíková

Uverejnila: ZVČ

 

O tom kam smeruje supravodivá veda a aké úspechy v nej dosiahli slovenskí vedci, ako aj o iných zaujímavých témach, sa dočítate v časopise Quark (číslo 11/2016), ktorý nájdete v novinových stánkoch alebo si ho môžete predplatiť v elektronickej alebo papierovej verzii na www.quark.sk.

 

Súvisiace:

Články
Hravý Guliver
07. nov. 2016
Menia svet
28. nov. 2016
Hore
QUARK
téma mesiaca
Aurelium - centrum vedy
Veda v Centre
Prechod VK na VND - jeseň
kúpa časopisov jún 2016
Extrapolácie 2017
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Väčšina pacientov trpí v čase diagnózy celiakie aj laktózovou intoleranciou.
Zistite viac