Zjawisko nadprzewodnictwa metali odkrył holenderski uczony Heike Kamerlingh- Onnes na początku XX wieku. Zajmował się badaniem zjawisk fizycznych w bardzo niskich temperaturach. Wsławił się tym, że jako pierwszy skroplił hel. Potem zabrał się za badanie oporu elektrycznego metali. Nie szukał po omacku. Od dawna wiadomo było, że wraz z obniżaniem się temperatury spada opór elektryczny. Zaobserwowali to 30 lat wcześniej polscy uczeni – Zygmunt Wróblewski i Karol Olszewski – w czasie prac nad skraplaniem powietrza. Jedni fizycy twierdzili, że przy zerze absolutnym opór elektryczny zniknie. Inni, że wręcz przeciwnie – elektrony zamarzną i opór wzrośnie.

Onnes był zwolennikiem tej pierwszej teorii i na początku badał, w jaki sposób zachowują się złoto i platyna. Ku jego niezadowoleniu, nie udało się zmniejszyć oporu elektrycznego do zera, co złożył na karb zanieczyszczeń próbek metali. Postanowił więc badać rtęć, którą znacznie łatwiej było oczyścić. I tu spotkało go zaskoczenie – opór elektryczny po obniżeniu temperatury do 4,19 kelwina spadał gwałtownie do zera. Onnes nazwał nowe zjawisko nadprzewodnictwem. Za swoje badania otrzymał w 1913 roku Nagrodę Nobla (przy czym jako główną zasługę komitet noblowski wymienił skroplenie helu). Onnes przewidział, że ołów i cyna również osiągają stan nadprzewodnictwa. Tak rozpoczęła się przygoda fizyków z tym przedziwnym zjawiskiem elektrycznym. Stopniowo odkrywano coraz to nowe nadprzewodniki: ołów, tal, selen, wanad, niob.

W 1933 roku niemiecki fizyk Fritz Walther Meissner odkrył, że nadprzewodniki wypychają ze swego wnętrza pole magnetyczne. Efekt służy czasem do demonstracji zjawiska lewitacji magnetycznej nadprzewodników nad magnesami, a także definiuje pojęcie nadprzewodnictwa: nadprzewodnikiem jest taki materiał, w którym poniżej pewnej temperatury zanika opór elektryczny i zachodzi efekt Meissnera. W połowie XX wieku udało się opracować spójną teorię nadprzewodnictwa, w myśl której elektrony w przewodniku łączą się w pary, a wówczas łatwiej jest im przelatywać między atomami. Wkrótce okazało się, że istnieją dwa rodzaje nadprzewodników, a pary elektronowe tłumaczą zjawisko tylko w przypadku pierwszego rodzaju. Jeśli chodzi o drugi rodzaj, to wiemy jedynie, że działa, ale jak – nie mamy nadal pojęcia.

CIEPŁO, CORAZ CIEPLEJ


Tymczasem ten drugi rodzaj nadprzewodników jest szczególnie ciekawy, bowiem nadprzewodnictwo zachodzi w nich w relatywnie wysokich temperaturach – powyżej 30 kelwinów. Pierwszy taki materiał powstał w 1986 roku i od tego czasu trwa wyścig, kto stworzy „cieplejszy”. Obecny rekord wynosi 138 kelwinów (minus 135,15 st. C). W przeciwieństwie do niskotemperaturowych nadprzewodników, nowe materiały nie są metalami, ale mieszaninami przypominającymi ceramikę. Rekordzista składa się z talu, miedzi, baru, wapnia, strontu i tlenu. Choć na pierwszy rzut oka owe minus 135 stopni Celsjusza to też straszliwe zimno, to jednak osiągnięcie takich temperatur jest znacznie prostsze.

Chłodziwem może być bowiem ciekły azot, a ten bardzo łatwo można wyprodukować, skraplając powietrze według technologii opracowanej w XIX wieku przez Wróblewskiego i Olszewskiego. Azot jest nie tylko wielokrotnie tańszy od ciekłego helu, to jeszcze nie istnieje ryzyko zatkania przewodów transportujących chłodziwo zamarzniętym powietrzem (!), jak miało to miejsce w przypadku aparatury stosowanej przez Onnesa. Odkrycie nadprzewodników wysokotemperaturowych stworzyło nadzieje na wielorakie zastosowania komercyjne. W laboratoriach na całym świecie trwa wyścig w poszukiwaniu materiału, który okaże się nadprzewodnikiem w temperaturze 273,15 kelwinów, czyli zera w skali Celsjusza.

ENERGIA (PRAWIE) BEZ STRAT

 

Ale nawet teraz nadprzewodnictwo znajduje coraz więcej zastosowań praktycznych. Najoczywistsze, czyli wykorzystanie nadprzewodników do przesyłania prądu, jest jednocześnie najmłodszym. Pierwsza taka linia energetyczna powstaje obecnie w Nowym Jorku. Co ciekawe, nie chodzi o oszczędność prądu, lecz o oszczędność miejsca. Kabel z nadprzewodnika, nawet chłodzony ciekłym azotem, ma dziesięciokrotnie mniejszy przekrój niż kable miedziane transportujące taki sam prąd. A w ciasnych duktach elektrycznych pod ulicami Nowego Jorku nie ma już miejsca na nowe przewody. A że konsumpcja energii elektrycznej w Ameryce rośnie (mimo nieśmiałych protestów ekologów), nadprzewodnik będzie najtańszym sposobem na zwiększenie przepustowości łączy energetycznych.

Co ciekawe, kabel nadprzewodzący nie niweluje zupełnie strat energii w czasie przesyłu – aparatura chłodząca zużywa bowiem połowę tej energii, która normalnie ulatnia się z powodu oporu elektrycznego. Kolejnym zastosowaniem dla nadprzewodników jest magazynowanie energii – coś, z czym tak naprawdę nie radzimy sobie zbyt dobrze. Możemy dostarczać prąd na żądanie, zwiększając jego produkcję, ale nie ma szans na to, by wyprodukowaną elektryczność gdzieś przechować w efektywny sposób. Dlatego też najsensowniejsza ekologicznie metoda pozyskiwania energii, czyli wykorzystanie światła słonecznego, jest praktycznie bezużyteczna na skalę przemysłową, bo w nocy prądu nie da się produkować, a wtedy przecież też go potrzebujemy.

Tymczasem wystarczy zakopać pod ziemią ogromną pętlę nadprzewodnika i wpuścić w nią prąd. Będzie on sobie spokojnie tam krążył przez całe wieki – obliczenia mówią o stu tysiącach lat, a eksperymenty pokazały, że po dwóch latach nie wykryto żadnej straty energii. Oczywiście należy pamiętać o konieczności ciągłego chłodzenia takiej instalacji – to kosztuje, ale zysk jest większy niż straty. Poza tym taki system przechowywania prądu nie tylko nadaje się do elektrowni solarnych, ale też do elektrowni wiatrowych, które są jeszcze bardziej podatne na kaprysy przyrody. Amerykanie planują nawet zbudowanie kilku przechowalni prądu wzdłuż linii przesyłowych wysokiego napięcia – po to, by zwiększyć stabilność płynącego w nich prądu (w podobny sposób budowa zbiorników retencyjnych wzdłuż rzek pozwala zabezpieczyć się przed powodzią i suszą).

Gdyby istniały nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej, można by też myśleć o przechowywaniu energii na potrzeby pojazdów. Napęd elektryczny jest bowiem ze wszech miar wygodny: cichy, czysty, prosty w porównaniu z silnikiem spalinowym. Ma tylko jedną wadę, która jak na razie dyskwalifikuje go w samochodach – nie potrafimy zgromadzić tyle prądu, by samochód elektryczny miał podobne osiągi jak tradycyjny. Pętla z nadprzewodnika mogłaby w tym przypadku pełnić rolę baku, do którego niemal dosłownie wlewalibyśmy energię. Tankowanie mogłoby odbywać się i na stacjach benzynowych, i w garażu. A przy okazji nadprzewodnik pracujący w wysokich temperaturach doskonale nadawałby się do zbudowania silnika elektrycznego przekraczającego wydajnością wszystkie znane nam konstrukcje.

Przechowywanie energii w ten sposób może mieć jedną dużą wadę. Prąd płynący w przewodniku generuje pole magnetyczne. Cewka przechowująca energię – czy to na dużą skalę, zakopana pod ziemią, czy na małą skalę, w samochodzie – byłaby bardzo silnym elektromagnesem. Jego pole z pewnością niszczyłoby karty kredytowe, ale nie wiadomo, jakie byłyby skutki oddziaływania tego pola na organizmy ludzi i zwierząt. Na razie jednak ważniejszym problemem technicznym jest pozyskanie nadprzewodnika działającego w odpowiednio wysokiej temperaturze, a magnetyzm to problem "na przyszłość".

MAGNETYCZNE PRZEŚWIETLENIE

Zresztą nadprzewodzące supermagnesy są już z powodzeniem wykorzystywane na co dzień. W akceleratorach cząsteczek elementarnych służą do generowania pól magnetycznych trzymających w ryzach rozpędzane kawałki materii. Eksperymenty pomagają fizykom rozłupywać atomy na coraz mniejsze kawałki i pokazywać tym samym, jak jest zbudowany świat. Zwykły człowiek ma szansę spotkać się z urządzeniem wykorzystującym nadprzewodnik, gdy zostanie skierowany na badania za pomocą nuklearnego rezonansu magnetycznego (NMR). Technika wynaleziona w latach 80. ubiegłego wieku pozwala na „prześwietlanie” tkanek miękkich ludzkiego ciała, w tym mózgu.

W 2003 roku przyznano Nagrodę Nobla Paulowi Lauterburowi i Peterowi Mansfieldowi za odkrycia, które doprowadziły do skonstruowania NMR (notabene decyzję tę oprotestował Raymond Vahan Damadian, który twierdzi, że to jego zasługa). W urządzeniach do obrazowania metodą rezonansu wykorzystuje się bardzo silne magnesy i najlepszym rozwiązaniem są nadprzewodniki, dzięki którym można osiągnąć bardzo silne pola magnetyczne na żądanie. Wykorzystuje się przy tym „stare” nadprzewodniki typu I, chłodzone ciekłym helem. Ich przewaga nad znanymi nadprzewodnikami typu II polega na tym, że z reguły są to stopy metali, z których bardzo łatwo można zrobić drut, a więc i uformować cewkę potrzebną do budowy elektromagnesu. I znów – mimo wysokich kosztów chłodzenia takiego urządzenia – opłaca się stosować w nim nadprzewodniki, ponieważ są one bardzo energooszczędne. Gdy mowa o polach magnetycznych, nie sposób zapomnieć o innym wynalazku, w którym zastosowanie nadprzewodzących magnesów jest wielce obiecujące. Chodzi o pociągi wykorzystujące lewitację magnetyczną, poruszające się po torach bez tarcia. Na całym świecie budowane są obecnie trasy testowe, jest też kilka pojazdów komercyjnych.

Największe zmartwienie inżynierów budujących takie pociągi to waga i rozmiary tradycyjnych elektromagnesów, potrzebnych do uniesienia pociągu nad tory. Nadprzewodniki oferują eleganckie i energooszczędne rozwiązanie problemu. Japoński pociąg testowy zbudowany przez Kawasaki, wykorzystujący wysokotemperaturowe nadprzewodniki chłodzone ciekłym azotem, dzierży rekord prędkości pojazdu szynowego, który wynosi 581 km/godz. Japończycy szykują się do budowy linii kolejowej w tej technologii, łączącej Tokio, Nagoyę i Osakę, która ma być gotowa w 2025 roku. Pozostaje nam liczyć na to, że i nasza PKP kiedyś się tym zainteresuje...

Marcin Bójko