В поисках высокотемпературных сверхпроводников

В последнее время, в связи с все возрастающим объемом производства энергии из возобновляемых источников, все больше внимания уделяется накоплению и сохранению выработанной энергии. Понятно, что не всегда дует ветер, а ночью отсутствует инсоляция. Поэтому, для бесперебойного энергоснабжения, аккумулятор энергии является обязательным элементом ветровой или солнечной электростанций.

На своей площадке я неоднократно рассказывал о способах накопления энергии, начиная от обыкновенных аккумуляторов и заканчивая контейнерами с водородом.
А что, если в качестве аккумулятора электроэнергии использовать провода и кабели, обладающие сверхпроводящими свойствами?

Сверхпроводники можно назвать одними из самых интересных и удивительным материалов в природе. Квантово-механические эффекты, которые не поддаются логическому обсуждению, приводят к тому, что в сверхпроводниках ниже критической температуры совсем исчезает электрическое сопротивление. Одного этого свойства достаточно, чтобы зажечь воображение. Ток, который может течь постоянно, не теряя энергии, означает передачу энергии практически без потери в проводах. Когда возобновляемые источники энергии начнут доминировать в сети и высоковольтные передачи через континенты станут непрерывными, кабели без потерь приведут к значительной экономии.

Более того, сверхпроводящий провод, который переносит ток без потерь, станет отличным хранилищем электроэнергии. В отличие от батарей, которые со временем деградируют, если сопротивление будет действительно нулевым, можно будет найти сверхпроводник через миллиард лет и обнаружить, что в нем течет все тот же старый ток. Энергию можно было бы хранить неограниченно долго!

При отсутствии сопротивления через сверхпроводящий провод можно было бы пропускать мощный ток и получать магнитные поля невероятной мощности. Их можно было бы использовать для левитирующих поездов с невероятно быстрым разгоном, коренным образом изменив всю транспортную систему.

Английский изобретатель, футуролог, Артур Кларк однажды сказал, что достаточно развитую технологию трудно будет отличить от магии: сверхпроводники очень похожи на волшебные устройства. Почему же они до сих пор не изменили наш мир? Проблема в критической температуре.

Для большинства известных таких материалов критическая температура — это сотни градусов ниже нуля. У сверхпроводников также критическое магнитное поле: за пределами магнитного поля определенной силы они перестают работать. Так получилось, что материалы с внутренней высокой критической температурой часто образуют мощные магнитные поля при охлаждении значительно ниже этой температуры.

Это означает, что применение сверхпроводников до сих пор было ограничено ситуациями, когда вы могли позволить себе охлаждения компонентов почти до температуры абсолютного нуля: в ускорителях частиц и на экспериментальных реакторах ядерного синтеза, например.

Но даже если некоторые аспекты сверхпроводниковых технологий ограничивают их применение, поиск высокотемпературных сверхпроводников продолжается. Многие физики все еще верят, что сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут существовать. И такое открытие проложило бы путь невероятным новым технологиям.

После того, как голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес случайно открыл сверхпроводимость, пытаясь доказать теорию лорда Кельвина о том, что сопротивление будет возрастать при снижении температуры, теоретики пытаются объяснить новое свойство в надежде, что его понимание позволит создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

Так появилась теория БКШ (Бардина, Купера, Шриффера), которая объясняет некоторые свойства сверхпроводников. Также было предусмотрено, что мечта технологов, сверхпроводники при комнатной температуре, может быть невыполнима: максимальная температура сверхпроводимости согласно теории БКШ составляла всего 30 градусов выше абсолютного нуля.

В 1980-х годах все изменилось, благодаря открытию необычной высокотемпературной сверхпроводимости. «Высокая температура» все еще очень холодная: самая высокая температура для сверхпроводимости составила -70 градусов для сульфида водорода при чрезвычайно высоком давлении. При нормальном давлении верхней границей является -140 градусов. К сожалению, высокотемпературные сверхпроводники, которые нуждаются в относительно дешевом жидком азоте, а не жидком гелии, для охлаждения — это в основном хрупкая керамика, из которой очень сложно сделать провода и применить на практике.

Учитывая ограничения высокотемпературных сверхпроводников, ученые продолжают считать, что лучший вариант, который ожидает открытия — невероятный новый материал, который сделает сверхпроводимость доступной, практичной, а главное — работающей при комнатной температуре.

Без подробного теоретического понимания возникновения этого явления — хотя существенный прогресс происходит постоянно — ученые иногда чувствуют, что они занимающихся гаданием на кофейной гуще, пытаясь подобрать соответствующие материалы. Это похоже на попытку угадать номер телефона, который составлен из таблицы периодических элементов вместо цифр. Но перспектива остается и очень волнует. Нобелевская премия и странный, новый мир энергии и электричества — неплохая награда за успешный исход.

В некоторых исследованиях основное внимание уделяется купратам, сложным кристаллам, содержащих слои меди и атомов кислорода. Соединения купратов с различными элементами и экзотическими соединениями типа оксид ртути-барий-кальций-миди, создают лучшие сверхпроводники, известные на сегодня.

Ученые также продолжают сообщать неожиданные новости о том, что пропитанный водой графит может выступать в качестве сверхпроводника, работающего при комнатной температуре, но нет никаких фактов того, что эти новости можно положить в основу технологий.

В начале 2017 года, исследуя самые экстремальные и экзотические формы материи, которые мы можем создать на Земле, ученые сумели сжать водород до состояния металла. Для этого им понадобилось давление, превышающее давление в ядре Земли и в тысячи раз больше, чем на дне океан. Некоторые ученые в этой области — физике конденсированной материи — вообще сомневаются, что металлический водород удалось получить.

Однако считается, что металлический водород может быть сверхпроводником, который работает при комнатной температуре. Но работа с образцами оказывается очень сложной, так как даже алмазы, содержащие металлический водород, не выдерживают невероятное давление.

Сверхпроводимость — или поведение, сильно ее напоминающее, — также наблюдалось в иттрий-барий-медь оксиде при комнатной температуре в 2014 году. Проблема лишь в том, что транспортировка электрона проходило только крошечную долю секунды и требовало бомбардировки материала лазерными импульсами.

Другие новые материалы тоже демонстрируют интересные свойства. Нобелевская премия по физике 2016 была присуждена за теоретическую работу, которая характеризует топологические изоляторы — материалы, которые проявляют удивительное квантовое поведение. Их можно считать идеальными изоляторами в общей массе материала, и прекрасными сверхпроводниками в тонком слое на поверхности.

Microsoft делает ставку на топологические изоляторы в качестве ключевого компонента квантового компьютера. Также они считаются потенциально важными компонентами миниатюрных микросхем.

Некоторые замечательные свойства транспортировки электронов также наблюдались в новых «двумерных» структурах — подобных графену, но других элементов. Это материалы толщиной в один атом или молекулу.

Сверхпроводимость при комнатной температуре остается такой же неуловимой и захватывающей, которой и была на протяжении более века. Непонятно, может ли существовать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, но открытие высокотемпературных сверхпроводников является многообещающим показателем того, что необычные и очень полезные квантовые эффекты могут быть найдены совершенно неожиданно. Источник

Спасибо за прочтение. smileyЕсли вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения