Szupravezetők: a forradalom kapujában

Százegy éve ismerjük a szupravezetés jelenségét
2012-11-15 06:30
Százegy éve ismerjük a szupravezetés jelenségét: Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus 1911-ben higanyt hűtött folyékony hélium hőmérsékletére: különleges tulajdonságokat észlelt, ezért Nobel-díjat kapott. 1957-ben szintén ezt a díjat érdemelte ki John Bardeen, Leon Cooper és John Schrieffer a róluk BCS-nek keresztelt jelenség elméleti magyarázatáért, ám ma sem ismerjük tökéletesen a folyamatot.
A jelenség legismertebb szemléltetése a folyékony nitrogénből kivett fémdarab, ami egy kör alakú pálya felett lebegve súrlódás nélkül kering. Az ellenállás nullára csökken, így nincs az elektronok szállítása közben veszteség. Ez azonban csak néhány speciális anyagnál következik be. Az alumínium mellett csak kilenc másik olyan fém van, amelynél a szupravezetés működik. A jelenséget nem egyszerű kiaknázni, mert alapesetben csak –263,89 °C alatt jelentkezik, ez mindössze 9,26 fokkal magasabb az abszolút zérónál. (Folyékony héliummal hűtött szupravezető mágneseket használnak például a genfi CERN nagy hadronütköztetőjében is.)

Léteznek magas hőmérsékletű szupravezetők is, amelyek –180 Celsius-fok körül válnak azzá. Ezeket 1986-ban fedezték fel, így új lendületet kaptak a kutatások, mert az ilyen szupravezetők hűtése cseppfolyós hélium helyett cseppfolyós nitrogénnel is megoldható. Továbbra is cél a még magasabb hőmérsékleten működő szupravezetők előállítása.

A különleges vezetők másik kitüntetett tulajdonsága, hogy ha egy mágnest helyezünk föléjük, az lebegni fog, mivel tulajdonképpen visszatükrözi annak mágneses terét. A kutatók továbbra is lázasan keresik a szobahőmérsékleten vagy az annak közelében is működő szupravezetőket. Ezek teljesen átformálnák az alább bemutatandó területeket.



Ötszázzal száguldó vonat

■ A szupravezetésnek még egy számunkra kellemes tulajdonsága van. A speciális anyag hűtés közben megjegyzi a külső mágneses teret. Így már nemcsak a mágneseket lehet lebegtetni felette, hanem más fémeket is. Ezt kihasználva működik a japánok lebegő mágnesvasútja, a maglev is. (A sanghaji reptéri vasúton is üzemelő német Transrapid viszont nem, mert az elektromágneses módon lebeg.) A japánok elsőként szeretnének hosszabb szakaszon is maglevvonalat építeni: a tervek szerint 2025-re készülne el a Tokió és Nagoja közti 350 kilométeres szakasz, ahol a vonatok 500 km/h sebességgel közlekedhetnek.

Chipgyártásban is jól jöhet
■ Szupravezetők nélkül a mikrochipek előállítása is nehézkesebb, ugyanis a gyártás során folyamatosan azonos feszültségű áramra van szükség, ezt csak a különleges mágneses energiatárolók biztosítják.



Tollból high-tech

■ A Pekingi Egyetemen tintát felhasználva készítettek hajlékony szupravezető szálakat, amit akár ruházatba is lehet integrálni. A tinta ugyanis parányi szén nanorészecskéket tartalmaz, melyek – egyelőre csak alacsony hőmérsékleten – különösen alkalmasak a szupravezetésre, így egy olcsó alapanyagot találtak.



Megaszélerőművek

■ A megújuló energiaforrások terjedésével a hálózatokban egyre gyakrabban fellépő ingadozások kezelésére is a szupravezetők segítségével működő eszközök nyújtanak megoldást, ahogy a szélerőművek generátoraiban is használhatók lennének, növelve a hatékonyságot. Az Amerikai Kutatási Projekt Ügynökség energiaágazata (ARPA-E) 2011 szeptemberében döntött arról, hogy több mint 30 millió dollárral támogatja a ritkaföldfémek alternatíváit kereső kutatásokat. Ezek szupravezető tekercsek új generációját fejlesztik, amelyek kiválthatják a szélturbinák generátoregységeiben lévő ritkaföldfém-alapú állandó mágneseket. A kutatás kisebb és könnyebb generátorokhoz vezethet, ezekkel építhetők 10 megawattos tengeri óriásturbinák is.



Olcsó áramtranszport

■ Míg a vezetékekben az elektromos ellenállás révén veszteség keletkezik áram továbbításakor – ezt annak felmelegedése jelzi –, szupravezetőknél ilyen probléma nincs. Éppen ezért hatalmas távolságokra lehetne nagyon alacsony veszteséggel elektromosságot szállítani. Energia nem veszne el, csak a folyékony nitrogén hűtését kell megoldani, ez viszont a mai ellenállási veszteség körülbelül felének megfelelő energiával biztosítható. Ilyen hálózatok egyelőre csak kevés helyen működnek, az American Superconductor cég egy 0,5 GW-os kábele már 2008 óta üzemel Long Islanden, de a magas beruházási költségek miatt ezek gyors elterjedése nem várható. Az Egyesült Államokban a Tres Amigas nevű cég az ország három villamosenergia-hálózatát szeretné összekötni egy szupravezetőkre épülő rendszerrel, így a texasi napelemek, a kaliforniai szélerőművek termelte áram is eljuthatna akár New Yorkba, szinte veszteségek nélkül.



A jövő: szupraautó és szupravillamos?

■ Az elektromos járművek energiát tároló és azt a gyors kisütésnél lassabban visszaadó szuper- és ultrakondenzátorainak fejlesztésében hatalmas előrelépést jelenthet, ha sikerül sorozatban gyártani a szupravezetők segítségével épített kondenzátorokat. Már egy egyszerű, nem szupravezetőn alapuló szuperkondenzátor is csodákra képes: egy ilyennel felszerelt Toyota nyerte a tartóssági autóversenyek legújabb sorozata, a World Endurance Racing São Pauló-i futamát szeptember végén. Genfben pedig olyan villamost állítottak kísérleti üzembe a múlt hónapban, amely akkumulátorok helyett szuperkondenzátorokban tárolja a fékezés során felhalmozott energiát, és felsővezeték nélkül is meg tud tenni 1,4 kilométert.



Akár szobahőmérsékleten is?

■ Az egyik legnagyobb kihívás olyan szupravezető keresése, amely szobahőmérsékleten is működik. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontjának munkatársai egy Hermann Jahn és Teller Ede által 1937-ben leírt torzulást magyaráztak most meg, és eredményeiket a Nature Communications című folyóiratban publikálták. A futball-labda alakú, 60 szénatomból és alkálifémekből összeálló fullerid szupravezetőknél megfigyelték, hogyan adódik át céziumokból elektron. A folyamat során kismértékben torzulnak a fulleridek, aszimmetrikussá válnak. Ezt megfigyelve arra jutottak, hogy a formára és az elektronokra vonatkozó paraméterek megfelelő hangolásával változtatható az a hőmérséklet és nyomás, amelyen a szupravezetés jelentkezik. Így lehet, hogy magyar kutatók eredményei is közelebb visznek az olcsó, szobahőmérsékleten is működő ellenállás nélküli vezetők megtalálásához.