Bank Światowy/Dana Smillie Farma turbin wiatrowych w Tunezji.
Ten artykuł powstał dzięki strategicznej współpracy firmy Europejskie Żądło ze Światowym Forum Ekonomicznym.
Wyobraź sobie świat, w którym ultraszybkie, lewitujące pociągi kursują między miejscami docelowymi, gdzie energia wiatru z Morza Północnego i energia słoneczna z Sahary zasilają sieć elektryczną w Nowym Jorku, gdzie bezemisyjne samoloty elektryczne przemierzają niebo, a ręczne MRI wykonują skany przy łóżku pacjenta. Zadziwiające materiały zwane nadprzewodnikami mogą zapewnić te i bardziej rewolucyjne przełomy napędzane efektami kwantowymi.
Gdy prąd przepływa przez zwykłe metale, elektrony zderzają się ze sobą i ścianami struktury krystalicznej, przez które przepływają, tracąc większe ilości energii w miarę dalszej podróży. Jednak w niektórych niezwykłych materiałach, znanych jako nadprzewodniki, po ochłodzeniu poniżej charakterystycznej temperatury nadprzewodnictwa elektrony łączą się w pary i łączą w masywną falę kwantową, która teraz płynie w spójnym ruchu, nie tracąc przy tym żadnej energii.
Takie egzotyczne zachowanie nie jest zwykłym konstruktem. Magnesy nadprzewodzące, w przypadku których prąd nadprzewodzący przepływa bez strat przez solenoid, tworząc pole magnetyczne, są wszechobecne w życiu codziennym, tworząc obudowę skanującą w urządzeniach MRI oraz ogromny pierścień akceleratora cząstek o długości 27 km w Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą. Długości nadprzewodzących kabli do przesyłu energii elektrycznej są już stosowane w sieciach elektroenergetycznych na całym świecie, np. w Essen w Niemczech.
Wysokie napięcie, wysoka wydajność
W świecie możliwości nadprzewodniki będą wszechobecnym elementem alternatywnego przesyłu energii. Nasze obecne kable przesyłowe prądu przemiennego (AC) tracą zbyt dużo energii i są zbyt niestabilne, aby przesyłać energię elektryczną na odległości dochodzące do kilkuset metrów, od obszarów morskich i pustyń, gdzie wytwarzana jest energia alternatywna, po obszary miejskie, gdzie jest ona najczęściej wykorzystywana; w tym miejscu największy wpływ mogą mieć wysokonapięciowe kable prądu stałego (DC) i bezstratne nadprzewodzące elektryczne kable przesyłowe.
Oprócz znalezienia sposobów konstruowania lepszych elektrycznych kabli przesyłowych z nadprzewodników, które obecnie działają w najwyższych znanych temperaturach (które wciąż są niewiarygodnie niskie) – rodziny nadprzewodników z tlenku miedzi – musimy znaleźć rodziny nowych nadprzewodników o jeszcze wyższych temperaturach nadprzewodnictwa.
Znalezienie nowych nadprzewodników już na etapie projektowania okazało się wyzwaniem, biorąc pod uwagę, że nadal nie rozumiemy fizyki kwantowej leżącej u podstaw działania obecnie najbardziej znanej rodziny nadprzewodników z tlenku miedzi. Potrzebą chwili jest zarówno zrozumienie fizyki kwantowej leżącej u podstaw rodziny nadprzewodników z tlenkiem miedzi, jak i znalezienie różnorodnych sposobów projektowania nowych nadprzewodników.
Nasze podejście do projektowania nowych nadprzewodników polega na rozpoczęciu od materiałów znajdujących się na granicy nadprzewodnictwa – jest ich kilka – często o właściwościach magnetycznych, charakterze niemal izolacyjnym i rozciągniętej (niskowymiarowej) strukturze krystalicznej, a następnie poddawanie ich działaniu wysokich ciśnień. Wciskamy maleńkie kryształki wybranych materiałów pomiędzy czubki diamentowych kowadeł, osiągając ciśnienia wyższe niż czubek szpilki, zbliżając się do tych na dnie oceanu.
Wywierając nacisk na wybrane materiały nieprzewodzące, stwierdzamy, że zachodzi transformacja, przekształcając je w nowe materiały nadprzewodzące, niemal na drodze alchemii kwantowej. Dzięki temu podejściu uzyskano już temperatury nadprzewodnictwa powyżej 200 stopni Kelvina (około -73°C) i oczekuje się, że pozwolą na powstanie nowych, ekscytujących rodzin materiałów nadprzewodzących.
W przyszłości zamierzamy stworzyć o wiele bardziej zróżnicowane rodziny nadprzewodników już na etapie projektowania, co ostatecznie doprowadzi do powstania nawet nadprzewodników o temperaturze pokojowej. To skieruje nas zdecydowanie na drogę do zmienionych perspektyw energetycznych świata.
