Nadprzewodniki wysokotemp. znajdują praktyczne zastosowania

     Przez kilka miesięcy w 1987 roku wydawało się, że wkrótce świat się zmieni. Pociągi miały unosić się na poduszkach magnetycznych, komputery stać się szybsze, energia elektryczna tańsza, a w gabinetach lekarskich pojawić się nowe rodzaje narzędzi diagnostycznych itd. Powód tego nadmiernego optymizmu to dokonane w Zurychu przez naukowców IBM J. Georga Bednorza i K. Alexa Miillera odkrycie nowego rodzaju nadprzewodnika, niemal cudownego materiału, który przewodzi prąd elektryczny bez strat energii.

     Nadprzewodniki znano od 1911 roku, lecz wszystkie przejawiały swoje właściwości w temperaturach bliskich bezwzględnego zera, co poza nielicznymi specjalnymi zastosowaniami uniemożliwiało ich praktyczne wykorzystanie. Odkrycie doprowadziło do wyodrębnienia nadprzewodników wysokotemperaturowych, grupy nadprzewodników tlenkowych pracujących w temperaturach wyższych od temperatury ciekłego azotu. Ciekły azot o temperaturze wrzenia 77.3 K jest znacznie tańszy w wytwarzaniu i znacznie wygodniejszy w użyciu niż ciekły hel (o temperaturze wrzenia 4.2 K), który stosowano do chłodzenia zwykłych nadprzewodników. (Fizycy ciągle mają nadzieję na znalezienie materiału o właściwościach nadprzewodzących w temperaturze pokojowej - kolejnej rzeczy niezbędnej do zbudowania per-petuum mobile.) Stopniowo badacze znaleźli metody wykorzystania nadprzewodników wysokotemperaturowych do budowy elementów magnetycznych użytecznych w badaniach naukowych i diagnostyce medycznej, a nawet skonstruowali pokazowe silniczki, ograniczniki prądu i inne urządzenia. Teraz, ponad 10 lat od odkrycia, nadprzewodniki wysokotemperaturowe wkraczają na obszary bliższe przeciętnemu konsumentowi - znajdą zastosowanie w liniach energetycznych i telekomunikacji bezprzewodowej.

     Główną przeszkodą w produkcji komercyjnych przewodów energetycznych z nadprzewodników wysokotemperaturowych jest to, że są one materiałami ceramicznymi, kruchymi jak chińskie wazy z epoki Ming. W 1987 roku Greg Yurek, metalurg z Massachusetts Institute of Technology, zdał sobie sprawę, że jeśli z kruchego szkła da się wyciągać cienkie i giętkie włókna stosowane w światłowodach, to podobnie można zrobić z nad-przewodnikiem wysokotemperaturowym. "Pomysł ten zaowocował patentem o podstawowym znaczeniu w tej dziedzinie" - powiedział John Howe z American Superconductor w West-borough w Massachusetts, firmy założonej przez Yurka.

     Koncepcja polega na umieszczaniu małych granulek nadprzewodnika w srebrnych rurkach o średnicy ćwierćdolarówki (mniej więcej złotówki), które wyciąga się w cienkie włókna. Utworzone z takich włókien wiązki umieszcza się w kolejnej srebrnej rurze. Jest ona następnie walcowana do uzyskania nadprzewodzącej taśmy, dostatecznie giętkiej, chociaż nie aż tak jak miedziany drut. Dwa lata temu - twierdzi Howe - cena nadprzewodzącej taśmy była 50 razy wyższa niż porównywalnego miedzianego przewodu. American Su-perconductor buduje nowy zakład, w którym wytwarzane będą nadprzewodzące przewody. "Dzięki skali przemysłowej obniżymy koszty do około dwóch razy większych niż w przypadku miedzi" - przewiduje Howe. Firma współpracuje z Pirelli Cables and Systems z Mediolanu we Włoszech w celu opracowania nadprzewodzących linii transmisyjnych. Inżynierowie z Southwire w Carrollton w Georgii, firmy produkującej kable, jako jedni z pierwszych wytworzyli z nadprzewodzących przewodów praktycznie użyteczne kable. Od lutego br. Southwire dostarcza nimi energię do trzech swoich fabryk. Mają one długość 30 m i powstały we współpracy z Oak Ridge Laboratories, Argonne National Laboratories, amerykańskim Departamentem Energii oraz kilkoma partnerami przemysłowymi. Wśród nich znajdowała się firma Intermagnetics General z Latham w stanie Nowy Jork. Dostarczyła ona kabel składający się z rury, przez którą przepływa ciekły azot, oraz przylegających do niej nadprzewodzących przewodów otoczonych warstwą izolacji. Wszystko to zostało umieszczone w termosie o podwójnych ściankach. Całość ma średnicę 12.7 cm. Kable produkowane masowo będą jednak cieńsze. "Na początku byliśmy bardzo ostrożni - projektowaliśmy z zapasem" - mówi kierownik projektu R. L. Hughey.

     Kabel, co istotne, jest cieńszy niż drut miedziany przewodzący taki sam prąd. Przy podobnych parametrach oszczędności uzyskane przez zastosowanie bardziej wydajnego nadprzewodzącego kabla zwykle nie wystarczają, aby warto było w to inwestować. Natomiast "główny zysk opiera się na tym, że kabel nadprzewodzący ma niemal zerową rezystancję i można przesyłać przez niego ogromne ilości energii" - wyjaśnia Hughey. Dlatego rozwiązuje najtrudniejszy problem, z jakim borykają się energetycy w miastach: jak umieścić dodatkowe przewody w już zapchanych kanałach kablowych. Korzyści można ocenić, przyglądając się systemowi, który American Superconductor buduje dla podstacji Frisbee należącej do Detroit Edison: 8165 kg miedzianego kabla z lat trzydziestych biegnącego dziewięcioma kanałami zostanie zastąpione przez 113 kg nadprzewodnika w trzech kanałach, a sześć pozostanie do przyszłej rozbudowy systemu. Inne znaczące zastosowania w energetyce to nadprzewodzące układy magazynowania energii magnetycznej, które stabilizują zaburzenia w sieciach energetycznych, oraz lekkie silniki elektryczne i w przyszłości - transformatory.

     Nadprzewodniki zaczyna się również stosować w filtrach używanych w telekomunikacji bezprzewodowej. Filtry z nad-przewodników mają znacznie mniejsze straty niż filtry konwencjonalne, co powoduje, że mniej sygnału jest tracone pomiędzy anteną i odbiornikiem, a zatem wzrasta czułość urządzenia. Czynnik ten ma istotne znaczenie w telefonii komórkowej, która działa w skrajnie zatłoczonym eterze i stacje bazowe muszą odbierać sygnały z nadajników telefonicznych o małej mocy.

     "Było to bardzo ambitne przedsięwzięcie, gdy zaczynaliśmy w 1987 roku" - mówi Robert B. Hammond, wiceprezes i główny inżynier firmy Superconductor Technologies z Santa Barbara w Kalifornii. Aby wyprodukować nadprzewodzące filtry, firma musiała rozwiązać wiele problemów. Opracowano metodę wytwarzania obwodów przez napylanie cienkiej warstwy nadprzewodnika i zaprojektowano próżniową obudowę, aby odizolować termicznie układ. Połączenie chłodzonego filtru z "ciepłym" światem okazało się trudnym problemem, ponieważ złącza musiały dobrze przesyłać sygnały elektryczne i być złymi przewodnikami ciepła -te dwie właściwości zazwyczaj nie idą w parze. Wreszcie niezbędny był system chłodzenia, który mógłby utrzymywać filtry w niskiej temperaturze przez lata, ponieważ umieszczano by je na odległych masztach radiowych.

Hammond mówi, że opracowano małą chłodziarkę "trochę mniejszą niż dwulitrowy karton soku", w której miniaturowy silnik spręża i rozpręża hel. "Sądzimy, że urządzenia te będą szeroko stosowane do zwiększenia zasięgu stacji bazowych i zmniejszenia mocy telefonów komórkowych nawet więcej niż dwukrotnie." Inne firmy pracujące nad podobnymi produktami to Illinois Superconductor z Mt. Prospect w stanie Illinois (jej filtr zainstalowany w ub.r. zwiększył o 70% zasięg stacji bazowej telefonii komórkowej) i Conductus z Sunnyvale w Kaliforni. Nikt nie zarabia jeszcze na nadprzewodnikach wysokotemperaturowych, a ich cena pozostaje główną przeszkodą w szerszym stosowaniu, lecz wraz z postępującym rozwojem rynku szacowanym na 30 mld dolarów do 2020 roku -nadprzewodniki wysokotemperaturowe mogą spełnić niektóre z pokładanych w nich nadziei.

Bruce Schechter

Źródło:

Powrót do spisu