Aplikace supravodivosti v technické praxi

Supravodivost představuje mimořádně důležitý fenomén, který se uplatňuje téměř všude – od urychlovačů částic, kde se využívá v magnetických cívkách, přes dopravu, až po vesmírné stanice a teleskopy. Nalezení supravodivého materiálu při pokojové teplotě je (zcela bez nadsázky) považováno za „svatý grál“ fyziky pevných látek. Přitom jde o oblast, která stále není uspokojivě teoreticky popsaná a neustále se v ní něco děje. Také tím může být pro žáky zajímavá a přínosná.

Stručné teoretické pozadí

Supravodivost představuje kvantově mechanický jev, při němž materiál neklade žádný zaznamenatelný odpor při průchodu elektrického proudu, neuvolňuje se tedy žádné ohmické teplo. Doprovodným efektem, který je ale mimořádně důležitý, je, že materiál vypuzuje ze svého objemu magnetické siločáry, čímž odpuzuje vnější magnetická pole. Dalším jevem je, že při průchodu proudu sám kolem sebe vytváří silná magnetické pole.

Obecně je možné hovořit o dvou základních formách supravodivosti a to o nízkoteplotních supravodičích, což jsou čisté kovy a jejich slitiny (jsou supravodivé při teplotách pod 23 K, proto je nutné je chladit kapalným heliem, jehož bod varu 4.23 K), a o vysokoteplotních supravodičích (nejčastěji používané YBCO a Bi2212), které mají kritické teploty okolo 90 K, některé až 136 K (pro chlazení nám dostačuje kapalný dusík (bod varu 78 K).

Supravodivost objevil v roce 1911 holandský fyzik H. Kamerlingh-Onnes a od té doby jde o relativně hojně zkoumaný jev, jehož podstata byla již do velké míry popsána. My se v následujícím textu nebudeme zabývat teorií, která se supravodivostí souvisí, ale pokusíme se naznačit určité oblasti jejího využití.

Ještě dříve, než přejdeme ke konkrétním příkladům, je jistě vhodné učinit ještě několik málo obecnějších poznámek. Předně je třeba říci, že i když využíváme látky, které mají velice malý elektrický odpor, dochází k nemalým energetickým ztrátám, které odpovídají až jedné třetině energie. To je poměrně velké číslo. Současně je třeba mít na paměti, že tyto ztráty jsou spojené téměř výlučně s tvorbou tepla a tím pádem také se zahříváním vodičů. To není úplně velký problém v elektrickém vedení, ale například v integrovaných obvodech již ano. Stejně tak v různých transformátorech či tranzistorech je zahřívání velmi nežádoucí a často představuje jeden z největších konstrukčních problémů daných zařízení.

Druhou obecnou poznámkou je otázka ceny. V zásadě platí, že nízkoteplotní supravodivost je jevem sice velice zajímavým, ale jeho aplikace jsou zatím omezené; a to především s ohledem na cenu kapalného hélia, které činí většinu praktických možných projektů spíše akademickými, nežli komerčně využitelnými. Oproti tomu kapalný dusík je relativně levným materiálem, takže se větší naděje vkládají především do výzkumu v této oblasti. Zde je ale jiný problém, který se tentokráte týká materiálů. Vysokoteplotními supravodiči jsou keramiky, jejichž výroba je jednak technologicky i finančně poměrně náročná, ale především mají nepříjemnou mechanickou vlastnost - jsou křehké. To opět limituje jejich možné využití a v současné době probíhá intenzivní výzkum, který je zaměřen na hledání vhodných vysokoteplotních supravodičů, které by nebyly příliš křehké.

Po těchto poznámkách, které vytvořily ekonomicko-technologické rámce omezení a perspektiv supravodivosti, se pokusíme alespoň v krátkosti podívat na vybrané možnosti konkrétních aplikací těchto jevů.

Nukleární magnetická rezonance

Zřejmě nejznámějším využitím supravodivosti je nukleární magnetická rezonance (NMR), která nachází své využití v lékařství a chemii. Jde o fyzikálně-chemickou metodu, která využívá interakce atomových jader (s nenulovým jaderným spinem, např. 13C) s magnetickým polem. Zkoumá rozdělení energií jaderného spinu v magnetickém poli a přechody mezi jednotlivými spinovými stavy vyvolané působením radiofrekvenčního záření. Na základě NMR spektroskopie lze určit složení a strukturu molekul zkoumané látky i jejich množství.

Využívají se zde supravodivé magnety. V oblasti komerčního využití jde o jednu z nejrozšířenějších aplikací, která má v medicíně zcela zásadní význam pro diagnostiku. Využívá se ale také v chemii, biochemii a dalších oblastech.

Supravodivá levitace

Supravodiče (na rozdíl od běžných látek) mají nulový elektrický odpor, proto nedochází k žádnému úbytku tepla. Nedochází tedy k tlumení stínících vířivých magnetických proudů. To způsobuje, že vnější magnetické pole je dokonale odstíněno. Při změně vnějšího magnetického pole dojde k vybuzení stínících proudů na povrchu supravodiče, což způsobí, že se supravodič snaží vykompenzovat danou změnu. Vnější pole se v důsledku povrchových proudů zdeformuje, což má za následek vytvoření poměrně hluboké potenciálové jámy, ze které levitující předmět může jen velmi obtížně uniknout. Při vhodném nastavení je možné pomocí tohoto jevu „unést" i poměrně velké zatížení a soustava je vysoce stabilní.

Setrvačníky a motory

Výše popsaný jev je v podstatě základem možnosti vývoje setrvačníků a motorů, které budou mít (téměř) nulový odpor. Zde je zajímavý vývoj pro oblast kosmonautiky a družic. Vzhledem k teplotě ve vesmíru není třeba speciální chlazení, což umožňuje používat tyto setrvačníky pro stabilizaci objektů nebo jako zdroj energie, pokud mluvíme o setrvačnících. Také možnosti supravodivosti v motorech je možné vnímat v kosmické perspektivě jako velice slibné. Motory se supravodivostí jsou dnes používány například u amerických vojenských lodí.

MagLev

V současné době prakticky nejznámější využití supravodivosti představují magneticky levitující vlaky MagLev, které se používají v Japonsku. Cestovní rychlost je okolo 500 km za hodinu, rekord pak přibližně 563 km za hodinu. Vlak má na bocích svých vagónů supravodivé cívky, které vytvářejí vysoké magnetické pole. Toto pole indukuje při pohybu vlaku elektrické proudy v měděných cívkách na stranách kolejiště. Magnetické pole, které tyto proudy vytvářejí, interaguje s magnetickým polem supravodivých cívek tak, že se vlak vznáší dostatečně vysoko nad zemí na to, aby byl umožněn rychlý a bezpečný provoz. Zajímavé je, že supravodivé cívky jsou vyrobeny z nízkoteplotních supravodičů, takže provoz je velice drahý. Také budoucnost této dopravy je spojena zřejmě z vysokoteplotními supravodiči, z nichž budou vytvořené cívky.

Počítačové sítě a procesory

Zajímavou oblastí, kde bude možné se s využitím supravodivosti setkat, budou počítačové sítě. Aktuálně se vyvíjejí routery pro komunikaci do 160 GHz, což by znamenalo obrovský nárůst přenosové kapacity i rychlosti sítí. Dnes se pohybujeme běžně nejvýše v jednotkách či nízkých desítkách GHz, takže jde o zlepšení o více než jeden řád. V této oblasti se mluví o nasazení v rámci projektu Internet2.

Další aplikací, kde se supravodivost začíná využívat, jsou integrované obvody a nejrůznější mikročipy či tranzistory. Tím, že se nezahřívají ani při vysokých frekvencích, je možné dosáhnout opět řádového zlepšení výkonu celých chipových sad. V současné době se jeví jako perspektivní aplikace především ve velkých suprapočítačových centrech nebo serverových a datových uložištích, kde jsou nároky na chlazení tak vysoké, že se tekutého dusíku již poměrně běžně používá, i když nikoli na podporu supravodivosti.

Další

Možností využití je ale pochopitelně mnohem více. Zásadní význam mohou mít supravodivé rentgenové detektory, samostatné tranzistory či zesilovače. Samostatnou kapitolou by pak jistě byla možnost využití supravodivosti v oblasti silnoproudé techniky - ať již v transformátorech nebo třeba i v obyčejném elektrickém vedení. Velký význam má supravodivost také v lékařství (např. projekt SQUID) nebo v moderním fyzikálním výzkumu

Jde o relativně spekulativní oblast využití, neboť obyčejný křemík má v sobě stále veliký potenciál. Přesto se o  možnostech využití supravodivosti živě diskutuje. Již dnes je využívána například v rámci vedení elektrického proudu uvnitř elektráren, které realizuje například společnost ABB (http://www.superconductors.org/Uses.htm), využívá se jí v CERNu či v rámci plánovaného projektu ITER, který by měl významným způsobem posunout možnosti jaderné fuze.

V tomto pohledu by bylo možné označit supravodivost za technologii budoucnosti, která může zásadním způsobem proměnit techniku i fyziku. Přináší totiž zlepšení o více než jeden řád, což podle známého teorému Dr. Grygara vždy přinese vědeckou revoluci. Zcela zásadní dopad na společnost by měla především supravodivost za pokojových teplot, kterou je ale možné zatím označit spíše za hudbu budoucnosti.

Příspěvek byl napsán v rámci řešení operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost: Moduly jako prostředek inovace v integraci výuky moderní fyziky a chemie, Reg.c.: CZ.1.07/2.2.00/28.01 82.

Literatura a použité zdroje

Uses for Superconductors [online]. 2012. [cit. 2012-12-28]. Dostupné z: http://www.superconductors.org/Uses.htm.

SCHMIDT, V.V. The Physics of Superconductors: Introduction to Fundamentals and Applications. Springer, 2002. 206 s. ISBN 9783540612438.

JIRSA, M. Supravodivost - naděje pro 21. století [online]. 2010. [cit. 2012-12-28]. Dostupné z: http://www.fzu.cz/popularizace/supravodivost-nadeje-pro-21-stoleti.

KUMUDA, G. Superconductors and Related Achievements: Concepts of Nobel Prize in Physics Through Concept Mapping. iUniverse, 2012. 128 s. ISBN 9780595241194.

Superconducting Motors [online]. 2001. [cit. 2012-12-28]. Dostupné z: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=949.