Novákoviny

stránky publicisty Jana A. Nováka

Supravodivost: hledání Svatého Grálu fyziky

suprav1

Byla by to asi největší revoluce v technice za posledních sto let: kdybychom měli vodiče bez elektrického odporu (supravodiče), náš svět by se nejspíš změnil stejně dramaticky jako po vynálezu parního stroje. Ale možná ještě mnohem víc, protože mnoho aplikací tohoto jevu si dnes ani neumíme představit.

 

 

Supravodiče sice opravdu existují, fungují ale jen při velmi nízkých teplotách, jejichž udržení je složité a drahé. Vysokoteplotní supravodič proto je pro dnešní fyziky a elektrotechniky totéž, čím byl kámen mudrců pro alchymisty.

 

 

Kámen mudrců 21. století

Naše civilizace trpí stále větším hladem po energii - a supravodivost ji může nasytit. S pomocí tohoto jevu by bylo možné například stavět dálková vedení vysokého napětí, v nichž by nedocházelo k žádným ztrátám. S takovým vedením už by se vyplatilo třeba vyrábět elektřinu ze slunce na Sahaře a lacino ji dopravovat do Evropy.

suprav2

 

obr: Při velmi nízkých teplotách dochází k řadě zajímavých efektů. Jedním z nich je i magnetická levitace

 

 

Ale nejen to: bylo by možné také vyrábět lehké a výkonné akumulátory, nesmírně výkonné a přitom lehké, malé a úsporné elektromotory, dopravní prostředky vznášející se na magnetickém poli, mnohem výkonnější počítače, extrémně citlivé senzory a spoustu dalších dnes nepředstavitelných věcí. Klesla by spotřeba elektřiny, protože by odpadly ztráty v rozvodech i strojích. A nejspíš by se objevily i nové možnosti, jak ji lacino a ve velkém množství získávat.

Má to jen jeden háček - k supravodivosti dochází jen při velmi nízkých teplotách. Tak nízkých, že jejich dosažení a udržení je za běžných podmínek mimořádně obtížné a drahé. Tím se všechny přednosti supravodivých zařízení ztrácejí. Dnes se proto vyskytují jen ve špičkovém výzkumu; supravodivé cívky jsou například v elektromagnetech urychlovačů pro jaderný výzkum.

"Svatým grálem fyziky je materiál, který by vykazoval supravodivost při pokojové teplotě," konstatoval proto David Pines z Los Alamos National Laboratory.

 

 

Absolutní akumulátor

Supravodivost vědci znají již více než jedno století. Roku 1911 ji objevil holandský fyzik Heike Kamerling-Onnes, když zkoumal tepelnou vodivost kovů ponořených do kapalného hélia, tedy při teplotách blízkých absolutní nule (ta je -273,16 stupňů Celsia).

suprav3

 

obr: Objevitel supravodivosti Hike Kamerlingh-Onnes

 

 

Kamerlingh-Onnnes také při jednom ze svých pokusů naznačil úžasné možnosti tohoto jevu. Ve své laboratoři v holandském Leydenu pustil do závitu umístěného v kapalném héliu proudový impuls. Celé zařízení pak i s chladícím médiem převezl přes kanál La Manche do Cambridge. Měření provedené v přednáškovém sále slavné univerzity prokázalo, že proud vodičem stále obíhá.

Už objevitel tak naznačil jedno z možných využití jevu, které by znamenalo revoluci. Největším problémem dnešních alternativních zdrojů energie, elektromobilů a dalších zařízení je, že neumíme efektivně a levně skladovat elektrickou energii. Představa akumulátoru, do něhož by se proud prostě jen napustil a v případě potřeby zase odčerpal (stejně jako třeba benzin do nádrže vozu) je velmi lákavá. Problém ale zatím představuje extrémně nízká teplota, při které to funguje. A to bohužel platí i pro všechny další aplikace supravodivosti. Mnozí však doufají, že to tak nemusí být věčně.

 

 

Recept na Nobelovu cenu

Perspektivy objevu byly od samého začátku zřejmé, a tak nepřekvapí, že už roku 1913 dostal Kamerlingh-Onnes roku 1913 Nobelovu cenu. Ani to, že každý vědec, který přijde s něčím zásadním, co se tohoto jevu týká, má na získání zlaté placky s portrétem pana Nobela velkou šanci. Roku 1972 ji dostali také Američané J. Bardeen, R. Cooper a R. Schrieffer za teorii, která supravodivost vysvětlovala. Tvrdí - velmi zjednodušeně řečeno - že za jev mohou páry elektronů (tzv. Cooperovy páry), které se v materiálu všechny dohromady chovají jako jediný celek.

Ani tím ale seznam vědců, kteří toto prestižní ocenění získali za supravodivost, nekončí. Roku 1987 ho dostali Karl Müller a Johannes Bednorz z laboratoří IBM za pouhý rok starý objev supravodivosti keramického materiálu skládajícího se z lanthanu, barya, mědi a kyslíku. Nevšední pohotovost nobelovské komise měla své opodstatnění: objev naznačoval, že supravodivost nezůstane jen hračkou mezi zdmi vědeckých laboratoří. Kritická teplota nového materiálu sice pořád zůstávala pouhých 13 stupňů nad bodem absolutního mrazu, byl tu ale příslib, že půjde uměle vytvářet další látky s lepšími vlastnostmi.

Zatím poslední Nobelova cena za supravodivost putovala roku 2003 k ruskému vědci Alexeji A. Abrikosovovi. Získal ji za teoretické vysvětlení tohoto jevu u supravodičů tzv. druhého typu, což jsou látky z hlediska zvyšování teploty obzvlášť perspektivní.

Supravodivost tak stále zůstává jedním z nejsledovanějších vědeckých témat. Udává se, že ročně vyjde okolo 10 000 vědeckých zpráv, které se tímto jevem zabývají.

 

 

Magické hranice

Významný zlom přišel v 80. letech minulého století, kdy se podařilo objevit supravodiče na bázi kysličníků mědi. Ty už fungovaly i při teplotách okolo -130 stupňů Celsia. A i když i to je pro běžné smrtelníky pořádný mráz, pro elektrotechniky to už znamenalo velký příslib, protože od -196 stupňů Celsia je možné k chlazení místo kapalného hélia používat kapalný dusík. A to je podstatně levnější.

suprav4

 

obr: Vědci se snaží vyvinout supravodivé kabely, které by odstranily ztráty v dálkových rozvodech elektrického proudu

 

 

Poprvé se povedlo dosáhnout této hranice už dřív Američanům čínského původu C. W. Chu a M. K. Wu z Houstonské univerzity, když u materiálu složeného z lanthanu, barya, mědi a kyslíku dosáhl kritické teploty okolo 90 stupňů Kelvina. Jenže kysličníky mědi jsou z praktického hlediska přece jen zajímavější.

Další takovou magickou hranicí je teplota -73 stupňů Celsia, při které taje pevný kysličník uhličitý. Té se dá docílit velmi snadno; pamětníci si možná vzpomenou, že kdysi s jeho pomocí pouliční prodavači chladili zmrzlinu. A až se povede tohle, je tu další meta: 0 stupňů Celsia. Za ní může vypuknout nová elektrotechnická revoluce...

Jenže optimistické snění nad supravodiči na bázi kysličníků mědi mělo hned několik stínů. První z nich spočíval v tom, že jde o keramické materiály, které se obtížně vyrábějí, jsou křehké, nejde je opracovávat a nic nevydrží. Ten další (a větší) je trochu bizarní: nikdo neví, proč jsou supravodivé. I navzdory skutečnosti, že některé velké elektrotechnické společnosti už připravovaly jejich komerční využití - Siemens například vyvíjí na supravodivý elektromotoru, který by pracoval s mimořádně vysokou účinností prakticky bez elektrických ztrát ve vinutí. Oproti běžným motorům o stejném výkonu může mít poloviční hmotnost.

 

 

Nad nulou - ale s otazníky

Rekordní teplota, kterou se zatím podařilo dlouhodobě a řízeně v laboratorních podmínkách docílit, je -140 stupňů Celsia, dosažená v materiálu obsahujícím kromě mědi a kyslíku také rtuť, baryum a vápník. V prosinci minulého roku ale web superconductors.org zveřejnil senzační zprávu Joea Ecka o pozorování supravodivosti při teplotě 28 stupňů Celsia - tentokrát konečně nad nulou. A to už jsou podmínky, v nichž nám obvykle bývá horko.

Ani tentokrát se to však neobešlo bez hodně velkého "ale". Šlo o komplikovanou sloučeninu mědi, kyslíku, hořčíku, barya, olova a thalia a jev se projevil pouze v nepatrných oblastech vzorku. Proč - to nikdo neví.

A stejně je tomu i v mnoha dalších případech, kdy se kýžená supravodivosti podařilo docílit sice při teplotách nižších než pokojových, ale v materiálech mnohem perspektivnějších, než jsou materiály s kysličníkem mědi. Například ve sloučeninách železa, v keramických materiálech, organických látkách nebo ve fulerenech (šedesátiatomových molekulách uhlíku kulového tvaru), které nabízejí lepší možnosti praktického využití. Jindy zase látky ztrácejí elektrický odpor při extrémně vysokých tlacích, během ozáření silným impulsem laseru a podobně. Důvody se ani tentokrát nedaří objasnit.

Je zřejmé, že další úsilí "hledačů grálu" se bude muset soustředit na zkoumání všech okolností, za nichž k supravodivosti dochází. A teprve pokud se podaří tyto jevy dokonale vysvětlit, bude možné teplotu dál zvyšovat.

 

Jan A. Novák

Psáno pro Hospodářské noviny - Víkend

 

 

Přidat komentář


Bezpečnostní kód
Obnovit

 
Joomla Templates at JoomlaShack.com