E se... obtivermos supercondutores de alta temperatura? Ligações de esperança

Linhas de transmissão sem perdas, engenharia elétrica de baixa temperatura, supereletroímãs, finalmente comprimindo suavemente milhões de graus de plasma em reatores termonucleares, um trilho maglev silencioso e rápido. Temos tantas esperanças para supercondutores...

Supercondutividade o estado material de resistência elétrica zero é chamado. Isto é conseguido em alguns materiais a temperaturas muito baixas. Ele descobriu esse fenômeno quântico Kamerling Onnes (1) em mercúrio, em 1911. A física clássica não consegue descrevê-lo. Além da resistência zero, outra característica importante dos supercondutores é empurrar o campo magnético para fora de seu volumeo chamado efeito Meissner (nos supercondutores do tipo I) ou a focalização do campo magnético em "vórtices" (nos supercondutores do tipo II).

A maioria dos supercondutores só funciona em temperaturas próximas ao zero absoluto. É relatado como sendo 0 Kelvin (-273,15°C). O movimento dos átomos a esta temperatura é quase inexistente. Esta é a chave para os supercondutores. Normalmente os elétrons movendo-se no condutor colidem com outros átomos vibrantes, causando perda de energia e resistência. No entanto, sabemos que a supercondutividade é possível em temperaturas mais altas. Gradualmente, estamos descobrindo materiais que mostram esse efeito em graus Celsius negativos mais baixos e, recentemente, até em mais. No entanto, isso novamente é geralmente associado à aplicação de pressão extremamente alta. O maior sonho é criar essa tecnologia em temperatura ambiente sem pressão gigantesca.

A base física para o aparecimento do estado de supercondutividade é formação de pares de agarradores de carga - o assim chamado Tanoeiro. Tais pares podem surgir como resultado da união de dois elétrons com energias semelhantes. Energia Fermi, ou seja a menor energia pela qual a energia de um sistema fermiônico aumentará após a adição de mais um elemento, mesmo quando a energia da interação que os liga é muito pequena. Isso altera as propriedades elétricas do material, uma vez que os portadores únicos são férmions e os pares são bósons.

Colaborar portanto, é um sistema de dois férmions (por exemplo, elétrons) interagindo entre si por meio de vibrações da rede cristalina, chamadas fônons. O fenômeno foi descrito Leona coopera em 1956 e faz parte da teoria BCS de supercondutividade de baixa temperatura. Os férmions que compõem o par de Cooper possuem meios spins (que são direcionados em direções opostas), mas o spin resultante do sistema é cheio, ou seja, o par de Cooper é um bóson.

Supercondutores a certas temperaturas são alguns elementos, por exemplo, cádmio, estanho, alumínio, irídio, platina, outros passam para o estado de supercondutividade apenas a pressão muito alta (por exemplo, oxigênio, fósforo, enxofre, germânio, lítio) ou na forma de camadas finas (tungstênio, berílio, cromo), e algumas podem ainda não ser supercondutoras, como prata, cobre, ouro, gases nobres, hidrogênio, embora ouro, prata e cobre estejam entre os melhores condutores à temperatura ambiente.

"Alta temperatura" ainda requer temperaturas muito baixas

Em 1964 ano William A. Little sugeriu a possibilidade da existência de supercondutividade de alta temperatura em polímeros orgânicos. Esta proposta é baseada no pareamento de elétrons mediado por excitons em oposição ao pareamento mediado por fônons na teoria BCS. O termo "supercondutores de alta temperatura" tem sido usado para descrever uma nova família de cerâmicas de perovskita descobertas por Johannes G. Bednorz e C.A. Müller em 1986, pelo qual receberam o Prêmio Nobel. Esses novos supercondutores cerâmicos (2) foram feitos de cobre e oxigênio misturados com outros elementos como lantânio, bário e bismuto.

2. Placa de cerâmica pairando sobre ímãs poderosos

Do nosso ponto de vista, a supercondutividade de "alta temperatura" ainda era muito baixa. Para pressões normais, o limite era de -140°C, e mesmo esses supercondutores eram chamados de "alta temperatura". A temperatura de supercondutividade de -70°C para o sulfeto de hidrogênio foi alcançada em pressões extremamente altas. No entanto, supercondutores de alta temperatura requerem nitrogênio líquido relativamente barato em vez de hélio líquido para resfriamento, o que é essencial.

Por outro lado, trata-se principalmente de cerâmica frágil, pouco prática para uso em sistemas elétricos.

Os cientistas ainda acreditam que há uma opção melhor esperando para ser descoberta, um novo material maravilhoso que atenderá a critérios como supercondutividade à temperatura ambienteacessível e prático de usar. Algumas pesquisas se concentraram no cobre, um cristal complexo que contém camadas de átomos de cobre e oxigênio. A pesquisa continua em alguns relatos anômalos, mas cientificamente inexplicáveis, de que o grafite embebido em água pode atuar como um supercondutor à temperatura ambiente.

Os últimos anos têm sido um verdadeiro fluxo de "revoluções", "descobertas" e "novos capítulos" no campo da supercondutividade em temperaturas mais altas. Em outubro de 2020, a supercondutividade à temperatura ambiente (a 15°C) foi relatada em hidreto de dissulfeto de carbono (3), porém, a uma pressão muito alta (267 GPa) gerada pelo laser verde. O Santo Graal, que seria um material relativamente barato que seria supercondutor à temperatura ambiente e pressão normal, ainda não foi encontrado.

3. Material à base de carbono que é supercondutor a 15°C.

Alvorecer da Era Magnética

A enumeração de possíveis aplicações de supercondutores de alta temperatura pode começar com eletrônicos e computadores, dispositivos lógicos, elementos de memória, interruptores e conexões, geradores, amplificadores, aceleradores de partículas. O próximo da lista: dispositivos altamente sensíveis para medição de campos magnéticos, tensões ou correntes, ímãs para dispositivos médicos de ressonância magnética, dispositivos magnéticos de armazenamento de energia, trens-bala levitando, motores, geradores, transformadores e linhas de energia. As principais vantagens desses dispositivos supercondutores de sonho serão baixa dissipação de energia, operação de alta velocidade e extrema sensibilidade.

para supercondutores. Há uma razão pela qual as usinas de energia são frequentemente construídas perto de cidades movimentadas. Mesmo 30 por cento. criado por eles Energia elétrica pode ser perdido em linhas de transmissão. Este é um problema comum com aparelhos elétricos. A maior parte da energia vai para o calor. Portanto, uma parte significativa da superfície do computador é dedicada a peças de resfriamento que ajudam a dissipar o calor gerado pelos circuitos.

Os supercondutores resolvem o problema das perdas de energia por calor. Como parte de experimentos, cientistas, por exemplo, conseguem ganhar a vida corrente elétrica dentro do anel supercondutor mais de dois anos. E isso sem energia adicional.

A única razão pela qual a corrente parou foi porque não havia acesso ao hélio líquido, não porque a corrente não pudesse continuar a fluir. Nossos experimentos nos levam a acreditar que as correntes em materiais supercondutores podem fluir por centenas de milhares de anos, se não mais. A corrente elétrica em supercondutores pode fluir para sempre, transferindo energia gratuitamente.

в sem resistência uma enorme corrente poderia fluir através do fio supercondutor, que por sua vez gerava campos magnéticos de incrível poder. Eles podem ser usados ​​para levitar trens maglev (4), que já podem atingir velocidades de até 600 km/h e são baseados em ímãs supercondutores. Ou use-os em usinas de energia, substituindo os métodos tradicionais em que as turbinas giram em campos magnéticos para gerar eletricidade. Poderosos ímãs supercondutores podem ajudar a controlar a reação de fusão. Um fio supercondutor pode atuar como um dispositivo ideal de armazenamento de energia, em vez de uma bateria, e o potencial do sistema será preservado por mil e um milhão de anos.

Em computadores quânticos, você pode fluir no sentido horário ou anti-horário em um supercondutor. Os motores de navios e carros seriam dez vezes menores do que são hoje, e as caras máquinas de ressonância magnética para diagnóstico médico caberiam na palma da sua mão. Coletada em fazendas nos vastos desertos desérticos ao redor do mundo, a energia solar pode ser armazenada e transferida sem qualquer perda.

4. Trem maglev japonês

Segundo o físico e famoso divulgador da ciência, Kakutecnologias como supercondutores irão inaugurar uma nova era. Se ainda estivéssemos vivendo na era da eletricidade, os supercondutores à temperatura ambiente trariam consigo a era do magnetismo.