Υπεραγωγικά σύρματα με λιγότερη αντίσταση για τα ηλεκτρικά δίκτυα

Πηγή: Nature, 31 Μαρτίου 2006

Πριν είκοσι χρόνια ακριβώς, δύο ερευνητές ανακάλυψαν μια κατηγορία υλικών που άναψε τα όνειρα για καλώδια που θα μεταβίβαζαν την ηλεκτρική ενέργεια χωρίς οποιαδήποτε απώλεια και τραίνα που θα αιωρούνταν κατά μήκος τροχιών χωρίς τριβές.

Ερευνητές νομίζουν τώρα ότι έχουν υπερνικήσει ένα από τα βασικά εμπόδια που είχε σταματήσει αυτά τα οράματα να γίνουν πραγματικότητα. Έχουν δείξει λοιπόν πως να φτιαχτούν από υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας, που ανακαλύφθηκαν το 1986,  καλώδια και σύρματα που χρειάζονται οι μηχανικοί.

Οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, συνήθως φτιάχνονται από οξείδια του χαλκού, άγουν την ηλεκτρική ενέργεια χωρίς οποιαδήποτε αντίσταση σε θερμοκρασίες γύρω από το σημείο στο οποίο το άζωτο γίνεται υγρό: -196 °C. Μπορεί να μην φαίνεται πολύ υψηλή, όμως άλλα υπεραγωγικά υλικά απαιτούν πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες. Στην πραγματικότητα, τα σχετικά φτηνά συστήματα ψύξης είναι επαρκή για να κατεβάσουν τη θερμοκρασία των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας.

Στα καλώδια

Εάν αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να μετατραπούν σε καλώδια, θα μπορούσαν να μεταβιβάσουν την ενέργεια χωρίς να θερμαίνονται, ανεβάζοντας κατά πολύ την απόδοση των ηλεκτρικών καλωδίων. Θεωρητικά θα πρέπει, επίσης, να είναι σε θέση να μεταφέρουν πολύ υψηλότερα ρεύματα από τα μεταλλικά καλώδια του ίδιου μεγέθους.

Αλλά τα υλικά είναι εύθριπτα και πρέπει να γίνουν πιο όλκιμα για να δημιουργήσουν σύρματα. Τα καλώδια που προκύπτουν πρέπει επίσης να λειτουργούν και παρουσία ισχυρών μαγνητικών πεδίων - σε έναν μετασχηματιστή ή σε μια γεννήτρια, παραδείγματος χάριν. Οι ερευνητές έχουν αγωνιστεί για χρόνια να τα κάνουν όλα αυτά και να δημιουργήσουν καλώδια που να μεταφέρουν ένα αρκετά υψηλό ρεύμα για να είναι χρήσιμα.

Όμως τώρα ο Amit Goyal και οι συνάδελφοι στο εθνικό εργαστήριο του Όουκ Ριτζ στο Τένεσι έχουν κάνει ένα βήμα προς τα εμπρός. Στο περιοδικό Science, αναφέρουν ότι έφτιαξαν καλώδια από κοινό υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας που περιέχει βάριο και ύττριο (YBCO), που έχει επικολληθεί σε μια εύκαμπτη μεταλλική λωρίδα: τα σύρματα καλύπτουν τις απαιτήσεις για ηλεκτρικό ρεύμα πολλών πολιτικών και στρατιωτικών εφαρμογών.

Τα μαγνητικά πεδία αναστατώνουν τους υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας επειδή οι μαγνητικές γραμμές δημιουργούν μίνι δινορεύματα. Αυτοί οι μικροσκοπικοί στρόβιλοι περιπλανώνται μέσα στο υλικό παράγοντας έτσι ένα είδος έλξης στο ρεύμα, που δημιουργεί την ηλεκτρική αντίσταση. Και αυτό σημαίνει ότι η υπεραγωγιμότητα δεν είναι πλέον τέλεια.

Για να αποβάλουν αυτήν την έλξη, οι μαγνητικές γραμμές της ροής και οι δίνες πρέπει "να καρφωθούν", δηλαδή να σταθεροποιηθούν σε ιδιαίτερα σημεία στο υλικό.

Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι γι αυτό το λόγο με διαφορετικούς βαθμούς επιτυχίας.

Παραδείγματος χάριν, πριν δύο χρόνια, μια ομάδα στο Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos στο Νέο Μεξικό ανέφερε ότι έδεσαν φιλμ YBCO με ράβδους πλάτους μερικά νανόμετρα από κεραμικό ζιρκονικού βαρίου δημιουργώντας ατέλειες σαν ρωγμές στον υπεραγωγό. Και έτσι αυτά ενέργησαν ως κατάλληλες 'ακίδες' για τις δίνες (δηλαδή να τις ακινητοποιούν). Τα αγκαθωτά νανοσωματίδια επέτρεψαν στα καλώδια να διατηρήσουν την υπεραγωγιμότητά τους όταν τοποθετήθηκαν μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Όμως υπήρχε περιθώριο για τη βελτίωση τους.

Έτσι, πρόσφατα ο Goyal και οι συνάδελφοί του έχουν κάνει υπεραγωγικά σύρματα, που σχεδόν πληρούν τις προδιαγραφές για βιομηχανική χρήση, παράγοντας ταινίες YBCO με μικροσκοπικές "νανοκουκίδες" από ζιρκονικό βάριο μέσα στο υλικό.  Με αυτό τον τρόπο οι νανοκουκίδες ακινητοποιούν τις μαγνητικές γραμμές σε συγκεκριμένα σημεία και τις εμποδίζουν να να περιφέρονται κατά μήκος του καλωδίου, εξαλείφουν το πρόβλημα της λειτουργίας των υπεραγώγιμων καλωδίων σε γεννήτριες και μετασχηματιστές.

Η κατασκευή τους γίνεται με ένα μίγμα του YBCO και σκόνης ζιρκονικού βαρίου με τη βοήθεια ισχυρών παλμών λέιζερ, που δημιουργούν έναν ατμό που τίθεται πάνω στη μεταλλική λουρίδα. Τα νανοσωματίδια του ζιρκονικού βάριου τείνουν να ευθυγραμμιστούν με τις στήλες μέσα στο YBCO, και αυτές ενεργούν ως μεγάλες 'ακίδες'.

Οι ερευνητές όμως προειδοποιούν ότι δεν είναι ακόμα σαφές εάν το κόστος των καλωδίων θα είναι αρκετά χαμηλό να είναι πρακτικό.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Ποιό φαινόμενο είναι η υπεραγωγιμότητα;
Υπεραγωγοί, ένας θαυμαστός κόσμος
Ψυχρά Υλικά: Υψηλής Θερμοκρασίας Υπεραγωγοί