Was sind Supraleiter und wann bekommen wir Magnetschwebebahnen und unbegrenzte elektrische Energie?

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Supraleitung ist eines dieser Konzepte, wie der Spin des Elektrons oder die Erweiterung der Zeit, das etwas esoterisch erscheint, das aber, wenn es durch Technologie beherrscht wird, die Welt wirklich revolutionieren könnte. Es ist ein Konzept, das wir heute häufig in verschiedenen Anwendungen verwenden, aber die Fähigkeit, es in immer weniger gastfreundlichen Umgebungen zu erstellen, könnte der Schlüssel sein, um viele der Träume von Science-Fiction zu verwirklichen.

Was ist Supraleitung? Einfach ausgedrückt ist Supraleitung die Eigenschaft, Null zu haben (nicht nahe Null, nicht sehr nahe bei Null, aber Null) Widerstand gegen Elektronenbewegung. Es ist mehr als nur wirklich sehr niedrig WiderstandDenn um beispielsweise in einem Draht eine echte Supraleitung zu haben, muss ein Ende dieses Drahtes in der Lage sein, 100% der in das andere eingebrachten Leistung zu empfangen. Dies bedeutet, dass wenn wir etwas Strom in einen geschlossenen supraleitenden Stromkreis pumpen würden, dieser Stromkreis seine Ladung auf unbestimmte Zeit halten würde. Die Elektronen werden sich nur drehen und drehen und niemals anhalten, und sie werden niemals einen Teil ihrer Energie durch Widerstand, magnetische Interferenz oder sogar Wärmeverlust verlieren.

Eine Probe des exotischen supraleitenden Materials Wismut, Strontium, Calcium, Kupferoxid (BSCCO-2223).

Eine Probe des exotischen supraleitenden Materials Wismut, Strontium, Calcium, Kupferoxid (BSCCO-2223).

Es gibt jedoch ein großes Problem mit dem Gedankenexperiment mit geschlossenem Regelkreis: Es impliziert, dass Supraleitung ein Zustand ist, in dem ein Material einfach kann Sein. Alle derzeit bekannten Supraleiter müssen jedoch durch Energieeintrag aktiv in diesem Zustand gehalten werden; Wir müssen sie unter einer bestimmten kritischen Temperatur halten und diese häufig durch Anlegen eines Magnetfelds ergänzen, um die wenigen verbleibenden Schnittgrößen zu beseitigen. Die Temperaturschwellen sind unglaublich niedrig und daher unglaublich teuer in der Wartung. Aluminium hat beispielsweise eine supraleitende Temperaturschwelle von 1,2 Kelvin oder -271,95 ° C.

Die Physik ist je nach Material entweder recht einfach oder recht komplex. In reinen Metallen oder einfachen Metalllegierungen tritt die Supraleitung im Wesentlichen auf, wenn die Atome dieses Materials so weit abgekühlt (verlangsamt) sind, dass die Elektronen nicht mehr streuen, wenn sie versuchen, sich durch das Gitter der Metallatome zu bewegen. Das ist großartig, aber wie erwähnt ist es sehr schwierig, die atomare Bewegung (Wärme) zu stoppen. Komplexere Materialien, von denen einige oberhalb kryogener Temperaturen eine Supraleitung erreichen können, liegen eindeutig im Bereich der Quantenunheimlichkeit und haben mit vorübergehenden Wechselwirkungen zwischen Elektronenpaaren zu tun.

Dies bedeutet, dass unsere unendliche Energieschleife nur existieren kann, solange wir eine erhebliche Menge an Energie verbrauchen, um die Schleife in einem supraleitenden Zustand zu halten, und dies den Punkt der verlustfreien Energiespeicherung zunichte macht, nicht wahr?

Das weltweit erste supraleitende Kabel.  Selbst die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse scheinen auf einer Baustelle nicht besonders fortschrittlich zu sein.

Das weltweit erste supraleitende Kabel. Selbst die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnisse scheinen auf einer Baustelle nicht besonders fortgeschritten zu sein.

Die heutigen Anwendungen für Supraleiter sind alle durch ihre Temperaturanforderungen begrenzt. MRT-Geräte sind unglaublich teuer, zum großen Teil, weil sie exotische Substanzen wie flüssiges Helium benötigen, um Metallspulen so weit zu kühlen, dass sie genug Elektrizität leiten können, um die Magnetfeldstärke zu erzeugen, die zur Neuorientierung von Molekülen im menschlichen Körper erforderlich ist. Ein Großteil der schockierenden Ausgaben für den Large Hadron Collider stammte aus derselben Quelle. Selbst die Forschung im Bereich der Fusionsenergie wird durch die fast unglaublichen Kosten und Schwierigkeiten bei der Schaffung riesiger magnetischer Tokamak-Plattformen für den Plasmaeinschluss verlangsamt.

Deshalb ist unser Heiliger Gral keine Supraleitung, die in allem von unterkühltem Porzellan bis zu unterkühlten Diamanten erreicht wurde, sondern praktisch Supraleitung. Dies wird auch als Hochtemperatursupraleitung oder (für die wirklich ehrgeizige) Raumtemperatursupraleitung bezeichnet. Der Schwellenwert für “Hochtemperatur” liegt technisch gesehen bei etwa 30.000, aber im heutigen Gespräch unterliegt er im Allgemeinen den Einschränkungen der realen Anwendung. Eine hohe Temperatur für einen Supraleiter ist im Grunde jede Temperatur, die Wissenschaftler zu akzeptablen Energiekosten erzeugen können. Wenn wir ein supraleitendes Material plötzlich mit sehr geringem Aufwand auf 29 Kelvin abkühlen könnten, würde 29 Kelvin für unsere Zwecke effektiv zu einer hohen Temperatur werden.

Maglev-Züge wären in fast allen Fällen die logische Wahl, wenn sie nicht unerschwinglich teuer wären.

Maglev-Züge wären in fast allen Fällen die logische Wahl, wenn sie nicht unerschwinglich teuer wären.

Fragen Sie sich: Was sind die technologischen Hindernisse, um Afrika zur allmächtigen elektrischen Batterie der Menschheit zu machen? Im Allgemeinen gibt es zwei. Eine ist die Fähigkeit, einen ausreichend großen Teil des Sonnenlichts, das auf diesen Wüstenkontinent fällt, zu sammeln und zu speichern, und die andere ist die Fähigkeit, diese gespeicherte Energie weltweit in Häuser, Büros und Fabriken zu bringen, wo sie benötigt wird. Mit supraleitendem Material, das erschwinglich und praktisch genug ist, könnten wir unsere Elektronen über den Atlantik schicken. Wir könnten kommunale Transportlinien in magnetisch schwebende Hochgeschwindigkeitszüge verwandeln. Krankenhäuser verfügen möglicherweise über mehr MRT-Geräte als sie benötigen, und leihen einige für den Heimgebrauch aus. Im Allgemeinen könnte dies die großtechnische Anwendung von Technologien ermöglichen, die bisher nur im kleinen Maßstab oder in gut finanzierten Speziallabors möglich waren.

Heute sind wir bei weitem nicht in der Nähe dieser Schwellenwerte. Verschiedene Kristallstrukturen können die Arbeit erledigen (Diamantarbeiten, wie erwähnt), aber Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sie in komplexen gemischten Materialien die gleichen Ergebnisse erzielen können, obwohl die Physik genau ist, warum dies derzeit unklar ist. Die besten Supraleiter, die jemals hergestellt wurden, sind Cuprate oder Substanzen, die Kupferionen enthalten, aber die fortschrittlichsten erfordern immer noch eine Abkühlung auf -140 ° C und sind recht schwierig und teuer herzustellen.

Ein Diagramm des Innenlebens des supraleitenden Kabels in Essen.

Ein Diagramm des Innenlebens des supraleitenden Kabels in Essen.

Das heißt nicht, dass es keine Erfolge gegeben hat. Betrachtet man den einfachen elektrischen Wirkungsgrad, der einen Verlust von darstellt etwa 6% Die deutsche Stadt Essen hat kürzlich ein kilometerlanges supraleitendes Kabel installiert, um Strom aus dem Netz zu übertragen. Dieses Kabel verwendet flüssigen Stickstoff, um eine Arbeitstemperatur von 60 K oder -206 ° C zu erreichen. Das ist sehr beeindruckend, und die Verwendung von flüssigem Stickstoff zum Kühlen macht es zumindest etwas erschwinglich, aber wir werden viel mehr brauchen, um mit dem Austausch in loser Schüttung zu beginnen Infrastruktur auf der ganzen Welt.

Supraleitung ist ein wichtiges Forschungsgebiet sowohl für Akademiker als auch für Industriewissenschaftler, aber es ist durchaus möglich, dass eine mögliche Lösung zuerst an einer Tafel und dann im Labor gefunden wird.

In unserer ExtremeTech Explains-Reihe finden Sie detailliertere Informationen zu den aktuellsten Technologiethemen.

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