الموصلية الفائقة هي اكتشاف ذو مصير لا يحسد عليه بالمقارنة مع الاختراقات العلمية الأخرى في القرن العشرين. سرعان ما وجدت نتائج الأخيرة طريقها من العلوم النظرية إلى العلوم التطبيقية ، ثم إلى الحياة اليومية. تتطلب الموصلية الفائقة باستمرار من العلماء الوصول إلى حدود معينة والتغلب عليها: درجة الحرارة والكيمياء والمواد. وحتى بعد مرور أكثر من 100 عام على اكتشاف هذه الظاهرة ، لا نزال نواجه نفس العقبات التي واجهها العلماء في بداية القرن الماضي. نحن توشيبا أيضًا ، ولدينا ما نخبره عن مساهمتنا في دراسة وترويض الموصلية الفائقة.
ما هي الموصلية الفائقة وكيف عرفناها؟
تخيل أنك بحاجة إلى قيادة سيارة عبر طريق ترابي سيء للغاية. في موسم دافئ ، خاصة بعد المطر ، يتحول إلى مستنقع. تتعثر العجلات في الوحل والشرائح والانزلاق وتدفع السيارة من جانب إلى آخر. سرعتك تنخفض. لكن في فصل الخريف ، خلال الصقيع الأول ، يصلب الطين ، وأنت تسير على طول الطريق مع نسيم ، كما لو كنت على طول طريق سريع. إليك أيضًا الإلكترونات التي تشكل التيار الكهربائي ، تمر عبر المعادن عندما تتغير درجة الحرارة. عندما يتم تسخين مادة ما ، تتذبذب بنياتها الذرية إلى حد كبير ، مما يجعل من الصعب على الإلكترونات التحرك. تنتزع الذرات الإلكترونات من التيار وتنتشرها. يمر عدد قليل فقط من النقطة "أ" إلى النقطة "ب". هذا يخلق المقاومة.
ومع ذلك ، إذا تم تبريد المعدن إلى الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) ، فإن الاهتزازات الداخلية للمادة ("الضوضاء الحرارية") تنخفض ، وتمر الإلكترونات من خلالها دون احتكاك ، أي تنخفض المقاومة إلى الصفر. هذا هو ما يسمى الموصلية الفائقة. يتم شرح كيفية عمل كل هذا من وجهة نظر علمية في العديد من المقالات في المنشورات العلمية الخاصة والشعبية ، على سبيل المثال ، في N + 1 (مع صور مضحكة).
لم يعرف الفيزيائي الهولندي Heike Kammerling-Onnes في عام 1911 بعد هذه الظاهرة ، على الرغم من أنه كان يدرك بالفعل أن المقاومة الكهربائية للمعادن تتناقص مع التبريد. للتحقق من المدى الذي يمكن أن يذهب إليه المرء في الألعاب باستخدام البرد والمعدن والكهرباء ، استخدم الهولندي الزئبق. كان هذا المعدن في تلك الأيام هو الذي خضع لتنقية أفضل من الشوائب التي تتداخل مع حركة الإلكترونات.
مع انخفاض درجة الحرارة إلى 4.15 كلفن ، أي إلى -269 درجة مئوية ، اختفت المقاومة في الزئبق تمامًا. صحيح أن كامرلينج أونز لم يصدق هذا ، وكتب حذرًا ملازمًا للعالم ، وكتب في مذكراته أن المقاومة "اختفت عمليًا". في الواقع ، كان غائبًا تمامًا ، فقط أدوات القياس لم تكن جاهزة لذلك ، مثل الباحث نفسه.
بعد ذلك ، اختبر Kammerling-Onnes العديد من المعادن من أجل الموصلية الفائقة ووجد أن الرصاص والقصدير يمتلكان هذه الخاصية. وجد أيضًا أول سبيكة فائقة التوصيل ، تتكون من الزئبق والذهب والقصدير. لتجاربه مع درجات حرارة منخفضة للغاية ، كان العالم الملقب ب "الصفر المطلق". لكن الحفاظ على هذه الرتبة العالية لم يكن سهلاً - كانت التجارب تحتاج إلى هيليوم سائل ، وهو أمر نادر في ذلك الوقت ، والذي لم يسمح لـ Kammerling-Onnes باكتشاف الخاصية الأساسية الثانية للموصلات.
تأثير ميسنر: هل يمكن لنعش النبي أن يطير
كانت الأسطورة التالية واسعة الانتشار في أوروبا في العصور الوسطى: في مكة ، في أحد القصور ، تابوت حديدي (وفقًا لمفاهيم أخرى ، نحاس) مع جسد النبي محمد يرتفع في الهواء ، لا يدعمه سوى المغناطيس القوي. يأتي الحجاج من جميع أنحاء العالم الإسلامي إلى هناك لمشاهدة هذا المشهد ، وفي النشوة الدينية يتطلعون لأنهم يعتقدون أنهم لن يروا أي شيء أكثر روعة في الحياة.
سقط الحاج على ركبتيه أمام التابوت العتيق على جزء من الأطلس الكاتالوني في القرن الرابع عشر. المصدر: ويكيميديا كومنز
في الواقع ، لم يدفن الرسول في مكة ، بل في المدينة المنورة. كان التابوت مصنوعًا من الخشب ، على الرغم من أنه مزين بثراء ؛ لم يلاحظ أي مغناطيس ، والذي تم فحصه في القرن التاسع عشر. ثم ثبت أن الجسم المغنطيسي المغناطيسي في مجال المغناطيس الدائم لا يمكن الحفاظ على توازن مستقر.
ومع ذلك ، إذا نجا المؤرخون في العصور الوسطى من الأسطورة الخيالية لمدة قرن واحد ، فيمكنهم الحصول على ورقة رابحة قوية تحت تصرفهم. في عام 1933 ، قرر علماء الفيزياء الألمان والتر مايسنر وروبرت أوكسينفيلد اختبار كيفية توزيع المجال المغناطيسي حول الموصل الفائق. ومرة أخرى ، تم اكتشاف غير متوقع: فقد تم توصيل موصل فائق التبريد إلى درجة حرارة حرجة خارج حقل مغناطيسي ثابت خارجي من حجمه. كما اتضح فيما بعد ، فإن التيارات التي تمر عبر الموصل الفائق تخلق مجالها المغناطيسي في طبقة سطحية رقيقة من المادة. في حالة التوصيل الفائق ، تساوي قوة هذا المجال المجال المغناطيسي الخارجي الذي يعمل عليه.
إذا تم إنشاء نعش النبي من مغناطيس ووضعه في كهف يتكون من موصلات فائقة البرودة إلى درجات حرارة حرجة ، فعندئذ ربما يرتفع في الهواء ، كما وصفه الأوروبيون في العصور الوسطى. على أي حال ، على نطاق صغير وبمشاركة أقل قداسة ، تم إجراء هذه التجربة بالفعل عدة مرات.
هذه هي الطريقة التي يمكن أن يرتفع بها نعش النبي إذا ما أُخذت جميع شروط تأثير ميسنر في الاعتبار أثناء دفنه. المصدر: قناة يوتيوب المدرسة التجريبية
ساعدنا اكتشاف تأثير ميسنر أيضًا على فهم أن الموصلات الفائقة ليست كلها متماثلة. بالإضافة إلى عدد قليل من المعادن النقية ، تنشأ الموصلية الفائقة أيضًا في السبائك. ومع ذلك ، في حين أن تأثير Meissner في المواد النقية يتجلى تمامًا (الموصلات الفائقة من النوع الأول) ، فإنه يتجلى جزئيًا في السبائك لأنه غير متجانس (الموصلات الفائقة من النوع الثاني). في نفوسهم ، لا يتم إخراج الحقل المغناطيسي بالكامل ، ولكنه يملأ المساحة على طول التيارات الفائقة التي تمر عبر الموصل. مع اكتشافهم بدأ الاستخدام العملي للموصلات الفائقة في شكل مغناطيسات.
ستكون Tesla فخورة: كيف ابتكرت Toshiba أقوى مغناطيس فائق التوصيل في العالم
في محاولة لخفض درجة الحرارة الحرجة بحلول عام 1960 ، اكتشفت البشرية العديد من الموصلات الفائقة من الدرجة الثانية التي يمكن استخدامها بالفعل للأغراض الصناعية وعلى نطاق واسع. كانت المهمة المنطقية الأولى على طول هذا المسار هي إنشاء مغناطيسات فائقة التوصيل ، والتي كان من المفترض أن تحل محل المغنطيسات الكهربائية التي تم اختراعها في القرن التاسع عشر ، بناءً على استخدام المعادن العادية.
مكّن المغناطيس الفائق التوصيل من إنشاء حقول أكثر استقرارًا وقوة مع استخدام أكثر كفاءة للكهرباء. في عام 1962 ، تم تطوير أول أسلاك التوصيل الفائق من النيوبيوم والتيتانيوم ، وفي نفس العام تم إنشاء أول مغناطيس كبير التوصيل فائق. تم تصميمه من قبل جنرال إلكتريك. وصلت قوة الحقول المتولدة من قبله 10 تسلا. للمقارنة: معظم التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي في المستشفيات اليوم يولد مجالًا من خلال الاستقراء من 1 إلى 10 ت.
صحيح ، على الرغم من النجاح العلمي والتكنولوجي الواضح ، فإن أول مغنطيس كهربائي فائق التوصيل تبين أنه غير مربح تمامًا. بدلا من 75 ألف دولار المنصوص عليها في العقد مع مختبرات بيل ، تكلفة من بنات أفكار جنرال إلكتريك 200 ألف دولار ، ومع ذلك ، فإن سباق الحث الميداني في 1970s. لقد انضمت العديد من الشركات المبتكرة ، بما في ذلك توشيبا.
كانت المهمة الأساسية بعد ذلك هي فهم مدى قوة الحقل الذي يمكن أن يخلقه المغناطيس الفائق الموصل ، لأنه كلما زادت القيمة ، فقدت الموصلية الفائقة الأسرع. في ذلك الوقت قامت توشيبا ، بالتعاون مع جامعة توهوكو ، بإنشاء أقوى مغناطيس قوي التوصيل في العالم في ذلك الوقت. ولد حقل مع تحريض من 12 T. في جامعة توهوكو ، تم استخدامه في علوم المواد.
ومع ذلك ، كانت المغناطيسات الكهربائية العادية لا تزال قادرة على تجاوز "أحفادهم" في توليد الحقول الكهرومغناطيسية. بحلول نهاية السبعينيات من القرن الماضي ، كان بإمكان الجيل القديم من هذه الأجهزة إنشاء حقل تحريض يصل إلى 23.4 طنًا ، في حين أن مغناطيس الموصلات الفائقة - 17.5 طن فقط.
في عام 1983 ، قام مهندسو Toshiba استنادًا إلى تطويرهم السابق بإنشاء مغنطيس كهربائي هجين: تم وضع مغنطيس كهربائي مقاوم تقليدي داخل مغنطيس فائق التوصيل ، وقد أعطى عبور مجالاتهم تحريضًا قدره 31 T في عام 1986.
عندما أصبح من الواضح أننا يمكن أن نحقق طاقة عالية للغاية من المجالات الكهرومغناطيسية ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه ، ولكن كيف نستخدم ما لدينا بالفعل؟ في الثمانينيات من القرن الماضي ، قررت توشيبا ، مثلها مثل العديد من الشركات الأخرى ، تسويق التكنولوجيا في "ساحة تدريب طبي".
أشعة الخير: كيف تساعد موصلات توشيبا الفائقة في علاج السرطان
في الثمانينيات ، أصبح من الواضح أن التصوير بالرنين المغناطيسي باستخدام الحقول الكهرومغناطيسية للموصلات الفائقة يمكن أن يوفر تشخيصًا أوضح بكثير من تقنية التصوير المقطعي المحوسب حديثًا والأشعة السينية القديمة. تم التعرف على هذا أيضًا بواسطة Toshiba. منذ ذلك الحين ، أصبحت الشركة مورداً للمغناطيس فائق التوصيل لمصنعي المعدات الطبية ولا تزال حتى يومنا هذا.
واحدة من أول مغناطيس توشيبا فائق التوصيل المصمم للتصوير بالرنين المغناطيسي. المصدر: توشيبا
ومع ذلك ، أصبحت الأجهزة الطبية الحديثة مختلطة: فهي لا تقوم فقط بتشخيص الأجهزة العلاجية التي تستخدم جزيئات ثقيلة ، ولكنها أيضًا تعالجها.
جوهرها هو أنها تولد أشعة مع الحركة المتسارعة للجزيئات الثقيلة التي يتم إرسالها إلى الأورام في جسم الإنسان. لتوجيه الحزم الدقيقة لهذه الجزيئات ، يلزم وجود مجال مغناطيسي قوي. في السابق ، كانت هذه الآلات مستخدمة بالفعل ، لكنها لم تستطع التحكم في مسار الجزيئات المولدة ، نظرًا لأن المرضى اضطروا باستمرار إلى تغيير وضعهم من أجل تعريض المناطق المصابة من الجسم للإشعاع ، وهو أمر ليس سهلاً بالنسبة لمرضى السرطان.
في ذلك الوقت ، أدخل مهندسو Toshiba مغناطيسات فائقة التوصيل في الرافعة - الجزء الدائري المنقول من باعث يشبه المدخل - والتي كانت قادرة على تغيير قوة الحقول المغناطيسية بسرعة. وقد مكن ذلك من توجيه الأشعة بشكل أكثر دقة ، وسمح لحركة القنطرية للمرضى بالهدوء أثناء العلاج.
جهاز لعلاج الجزيئات الثقيلة. تحتوي الرافعة الدوارة على مغناطيس كهربائي فائق التوصيل من Toshiba. المصدر: توشيباما في المستقبل: أفضل 3 تطبيقات واعدة من الموصلات الفائقة
بالإضافة إلى الطب ، تُستخدم الموصلات الفائقة اليوم في العلوم والطاقة والنقل. ما هي آفاقهم في المستقبل القريب؟
الأسلاك على الموصلات الفائقة ارتفاع درجة الحرارة
منذ السنوات الأولى لاكتشاف الموصلية الفائقة ، كانت البشرية تفكر في كيفية نقل التيار باستخدام الموصلات الفائقة. تشغل الخطوط العلوية ذات الجهد العالي التقليدية مساحة كبيرة ، وتفقد أيضًا 6-10٪ من الطاقة المنقولة.
في البداية ، في الواقع ، لم تكن مناسبة للمعادن فائقة التوصيل ، التي لم تسمح خواصها الكيميائية بتصنيع الأسلاك منها. بعد ذلك ، مع اكتشاف الموصلات الفائقة من النوع الثاني ، نشأ السؤال حول التبريد ، والذي يتطلب الهليوم باهظ الثمن. فقط في عام 1986 ، تم اكتشاف الموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، أي تم العثور على الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة الحرجة فوق 30 كلفن. جعل ذلك من الممكن استخدام النيتروجين الأرخص للتبريد ، لكن السؤال الذي يطرح نفسه الآن هو كيفية الحفاظ على حالة شديدة التوصيل ، أي درجة حرارة منخفضة (عالية) على أجزاء كبيرة جدًا.
الآن في روسيا والصين واليابان وكوريا الجنوبية وأوروبا والولايات المتحدة الأمريكية ، هناك مشاريع لإنشاء كابلات فائقة التوصيل من طول واحد إلى عشرة كيلومترات. حقق المهندسون الروس النجاح - في العام الماضي تم الانتهاء من اختبارات أطول خط كابل فائق التوصيل DC. من المقرر أن يتم تشغيل نموذج أولي يعتمد على الموصل الفائق Bi2Sr2Ca2Cu3O10 + x بطول 2.5 كم ودرجة حرارة حرجة تصل إلى -165 درجة مئوية في عام 2020 وسيربط محطتين فرعيتين في سان بطرسبرغ.
نقل عالية السرعة
لقد وجدت قدرة الموصلات الفائقة على إنشاء مجال مغناطيسي قوي ومستقر تطبيقًا في مجال النقل. في أوائل سبعينيات القرن العشرين ، تم إنشاء أول قطار نموذجي على وسادة مغناطيسية (German Transrapid 02) ، وفي عام 1984 بدأ أول قطار تجاري (من عبارة "رفع مغنطيسي") يمتد بين محطة مطار برمنغهام ومحطة سكة حديد المدينة (عملت حتى عام 1995 ).
إن جوهر التكنولوجيا بسيط: يتم تثبيت التركيب فوق الطريق من خلال قوة المجال الكهرومغناطيسي. إنها تدفع القطار للأمام - إدراج مغناطيس من نفس الأقطاب يصد القطار من الطريق ، ويجذب مختلفها. إن التضمين السريع بالتناوب لمثل هذه المغناطيسات يخلق فجوة ثابتة بين الويب مع المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل والقطار. نظرًا لعدم وجود احتكاك ، يمكن تسارع Muggle إلى 500-600 كم / ساعة.
ومع ذلك ، على الرغم من البساطة النسبية للتكنولوجيا ، لم يتم استخدامها على نطاق واسع. الحقيقة هي أنها مكلفة للغاية. على سبيل المثال ، يجلب Shanghai Muggle Aeroexpress (في العملية التجارية منذ عام 2004) خسارة سنوية قدرها 93 مليون دولار.
لذلك ، قد يكون تطبيق الحقول الكهرومغناطيسية للموصلات الفائقة أكثر واعدة في مشاريع الفضاء المكلفة. من المفترض أن يتم استخدام نفس مبدأ الرفع المغناطيسي لإطلاق سفن الشحن في الفضاء. على سبيل المثال ، يقول مطورو مشروع Startram (بتكلفة تقديرية 20 مليار دولار) ، إنهم سيخفضون تكلفة إرسال كيلوغرام واحد من الشحنات الفضائية إلى 40 دولارًا من خلال بناء نفق تسريع موجه إلى مدار أرضي منخفض (مقابل 2،500 دولار حاليًا من SpaceX على Falcon-9 ).
نفق التسارع في مشروع Startram. المصدر: موقع مشروع Startram
مفاعلات الانصهار
مجال آخر واعد لتطبيق المغناطيس فائق التوصيل هو المفاعلات النووية الحرارية. هناك حاجة لإنشاء ما يسمى الفخ المغناطيسي ، لعقد البلازما التي ينتجها المفاعل. تدور الجزيئات المشحونة حول خطوط المجال المغناطيسي. في الواقع ، تصبح البلازما الممغنطة diamagnet ، والتي تميل إلى مغادرة المجال المغناطيسي. وفقًا لذلك ، إذا أحاطت بالبلازما بمغناطيس فائق التوصيل يولد حقولًا قوية ، فسيتم الاحتفاظ بالبلازما في حجم معين ولن تتمكن من تدمير جدران المفاعل.
هذه هي التكنولوجيا التي يتم استخدامها لبناء مفاعل الانصهار ITER في فرنسا. تشارك روسيا أيضًا في هذا المشروع ، وكانت هي المسؤولة عن توريد كابلات فائقة التوصيل إلى فرنسا لإنشاء الحقل الكهرومغناطيسي الذي "يروض" البلازما. كما هو متوقع ، سيتم اختبار المغناطيس أثناء الإطلاق الأول للمفاعل في عام 2025.
متى ستصبح أكثر دفئًا؟
على الرغم من تاريخ الموصلية الفائقة الممتد لأكثر من قرن من الزمان ، لم يتحقق بعد الحلم الرئيسي لجميع علماء الفيزياء والمهندسين - درجة حرارة غرفة الموصلية الفائقة ، التي ستسمح باستخدام الموصلات الفائقة على أوسع نطاق ممكن في الحياة اليومية. تم تعيين السجل الأخير في هذا المجال مؤخرًا ، في مايو 2019: قامت مجموعة دولية من العلماء بتجربة مركب غريب - هيدريد اللانثانم (LaH10). الحصول على هذه المواد أمر صعب للغاية. لهذا ، هناك حاجة إلى درجة حرارة عالية وضغط مرتفع ، مما يجعل عينات هيدريد اللانثانم المنتجة صغيرة مجهرياً. ومع ذلك ، كان العلماء قادرين على التحقق من كيفية تفاعل هذه المواد مع المجال المغناطيسي. عند درجة حرارة -23 درجة مئوية ، أخرج مجالًا مغناطيسيًا ، الأمر الذي أثبت قدرته الفائقة على التوصيل. حتى الآن ، هذا هو أحر موصل فائق نعلم. ومع ذلك ، لا يتوقف البحث عن الموصلات الفائقة الأكثر دفئًا ؛ فهو مستمر. وبمجرد تحقيق نجاحات جديدة في هذا المجال ، سنبلغك على الفور.