Supraleitung ist eine Entdeckung mit einem nicht beneidenswerten Schicksal im Vergleich zu anderen wissenschaftlichen Durchbrüchen des 20. Jahrhunderts. Die Ergebnisse der letzteren fanden schnell ihren Weg von der theoretischen zur angewandten Wissenschaft und dann in den Alltag. Die Supraleitung erfordert ständig, dass Wissenschaftler bestimmte Grenzen erreichen und überwinden: Temperatur, Chemikalie, Material. Und selbst mehr als 100 Jahre nach der Entdeckung dieses Phänomens kämpfen wir immer noch mit denselben Hindernissen, mit denen Wissenschaftler zu Beginn des letzten Jahrhunderts konfrontiert waren. Wir sind auch Toshiba und haben etwas über unseren Beitrag zur Untersuchung und Zähmung der Supraleitung zu erzählen.
Was ist Supraleitung und wie haben wir davon erfahren?
Stellen Sie sich vor, Sie müssen ein Auto durch einen sehr schlechten Feldweg fahren. In der warmen Jahreszeit, besonders nach Regen, verwandelt es sich in einen Sumpf. Die Räder bleiben im Schlamm stecken, rutschen, rutschen, das Auto fährt hin und her. Deine Geschwindigkeit sinkt. Aber im Herbst, während der ersten Fröste, härtet der Schlamm aus und Sie fahren mit einer Brise die Straße entlang wie auf einer Autobahn. Hier passieren auch die Elektronen, aus denen der elektrische Strom besteht, die Metalle, wenn sich die Temperatur ändert. Wenn eine Substanz erhitzt wird, schwingen ihre Atomstrukturen stark, was es für Elektronen schwierig macht, sich zu bewegen. Atome entreißen dem Strom Elektronen und streuen sie. Nur wenige gehen von Punkt „A“ zu Punkt „B“. Dies schafft Widerstand.
Wenn das Metall jedoch auf den absoluten Nullpunkt (–273 ° ) abgekühlt wird, nehmen die inneren Schwingungen der darin enthaltenen Substanz („thermisches Rauschen“) ab und die Elektronen passieren es reibungslos, dh der Widerstand fällt auf Null ab. Dies nennt man Supraleitung. Wie dies alles aus wissenschaftlicher Sicht funktioniert, wird in zahlreichen Artikeln in speziellen und populärwissenschaftlichen Publikationen beschrieben, beispielsweise in N + 1 (mit lustigen Bildern).
Die niederländische Physikerin Heike Kammerling-Onnes wusste 1911 noch nichts über dieses Phänomen, obwohl er bereits wusste, dass der elektrische Widerstand eines Metalls mit der Abkühlung abnimmt. Um zu überprüfen, wie weit man in Spielen mit Kälte, Metall und Elektrizität gehen kann, verwendete der Niederländer Quecksilber. Es war dieses Metall in jenen Tagen, das besser von Verunreinigungen gereinigt wurde, die die Bewegung von Elektronen stören.
Mit einem Temperaturabfall auf 4,15 Kelvin, dh auf –269 ° C, verschwand der Quecksilberwiderstand vollständig. Kammerling-Onnes glaubte dies zwar nicht und schrieb in seinem Tagebuch, dass der Widerstand "praktisch verschwunden" sei, und zeigte dabei Vorsicht, die dem Wissenschaftler innewohnt. Tatsächlich fehlte es völlig, nur Messinstrumente waren damals nicht dafür bereit, wie der Forscher selbst.
Anschließend testete Kammerling-Onnes viele Metalle auf Supraleitung und stellte fest, dass Blei und Zinn diese Eigenschaft besitzen. Er fand auch die erste supraleitende Legierung, die aus Quecksilber, Gold und Zinn bestand. Für seine Experimente mit kritisch niedrigen Temperaturen wurde der Wissenschaftler "Absolute Zero" genannt. Es war jedoch nicht einfach, diesen hohen Rang aufrechtzuerhalten - Experimente erforderten flüssiges Helium, das zu dieser Zeit knapp war und es Kammerling-Onnes nicht ermöglichte, die zweite grundlegende Eigenschaft von Leitern zu entdecken.
Meisner-Effekt: Könnte der Sarg des Propheten fliegen?
Der folgende Mythos war im mittelalterlichen Europa weit verbreitet: In Mekka schwebt in einem der Paläste ein eiserner Sarg (nach anderen Vorstellungen ein Kupfersarg) mit dem Körper des Propheten Muhammad in der Luft, unterstützt von nichts als mächtigen Magneten. Pilger aus der ganzen islamischen Welt kommen dorthin, um dieses Spektakel zu sehen, und in religiöser Ekstase blicken sie hinaus, weil sie glauben, dass sie im Leben niemals etwas Schöneres sehen werden.
Der Pilger fiel vor dem schwebenden Sarg auf einem Fragment des katalanischen Atlas aus dem 14. Jahrhundert auf die Knie. Quelle: Wikimedia Commons
In Wirklichkeit wurde der Prophet nicht in Mekka, sondern in Medina begraben; Der Sarg bestand aus Holz, obwohl er reich verziert war. Es wurden auch keine Magnete bemerkt, was im 19. Jahrhundert überprüft wurde. Dann wurde bewiesen, dass ein ferromagnetischer Körper im Bereich der Permanentmagnete kein stabiles Gleichgewicht aufrechterhalten kann.
Wenn mittelalterliche Chronisten den fiktiven Mythos ein Jahrhundert lang überlebten, könnten sie dennoch einen mächtigen Trumpf zur Verfügung haben. 1933 beschlossen die deutschen Physiker Walter Meissner und Robert Oksenfeld zu testen, wie sich das Magnetfeld um den Supraleiter verteilt. Und wieder wurde eine unerwartete Entdeckung gemacht: Ein auf eine kritische Temperatur abgekühlter Supraleiter drückte ein externes konstantes Magnetfeld aus seinem Volumen heraus. Wie sich herausstellte, erzeugen die durch den Supraleiter fließenden Ströme ihr Magnetfeld in einer dünnen Oberflächenschicht der Substanz. Im supraleitenden Zustand ist die Stärke dieses Feldes gleich dem auf es einwirkenden externen Magnetfeld.
Wenn der Sarg des Propheten aus Magneten hergestellt und in eine Höhle gestellt würde, die aus auf kritische Temperaturen gekühlten Supraleitern besteht, würde er vielleicht wirklich in der Luft schweben, wie die mittelalterlichen Europäer beschrieben haben. In jedem Fall wurde ein solches Experiment in kleinem Maßstab und mit weniger heiligen Teilnehmern bereits viele Male durchgeführt.
So könnte der Sarg des Propheten schweben, wenn alle Bedingungen des Meißner-Effekts bei seiner Beerdigung berücksichtigt würden. Quelle: YouTube-Kanal der Empiric School
Die Entdeckung des Meißner-Effekts half uns auch zu verstehen, dass nicht alle Supraleiter gleich sind. Neben den wenigen reinen Metallen tritt auch in Legierungen eine Supraleitung auf. Während sich in reinen Substanzen der Meissner-Effekt vollständig manifestiert (Typ I-Supraleiter), manifestiert er sich in Legierungen teilweise, weil sie nicht homogen sind (Typ II-Supraleiter). In ihnen wird das Magnetfeld nicht vollständig herausgedrückt, sondern füllt den Raum entlang der durch den Leiter fließenden Superströme aus. Mit ihrer Entdeckung begann der praktische Einsatz von Supraleitern in Form von Magneten.
Tesla wäre stolz: Wie Toshiba den stärksten supraleitenden Magneten der Welt geschaffen hat
Um die kritische Temperatur in den 1960er Jahren zu senken, hat die Menschheit viele Supraleiter zweiter Klasse entdeckt, die bereits für industrielle Zwecke und in großem Maßstab eingesetzt werden könnten. Die erste logische Aufgabe auf diesem Weg war die Schaffung supraleitender Magnete, die die im 19. Jahrhundert erfundenen Elektromagnete ersetzen sollten, basierend auf der Verwendung gewöhnlicher Metalle.
Ein supraleitender Magnet ermöglichte es, mit einer effizienteren Nutzung von Elektrizität viel stabilere und leistungsfähigere Felder zu erzeugen. 1962 wurden die ersten supraleitenden Drähte aus Niob und Titan entwickelt, und im selben Jahr wurde der erste große supraleitende Magnet hergestellt. Es wurde von General Electric entworfen. Die Kraft der von ihm erzeugten Felder erreichte 10 Tesla. Zum Vergleich: Die meisten Magnetresonanztomographen im Krankenhaus erzeugen heute ein Feld mit einer Induktion von 1 bis 10 T.
Trotz des offensichtlichen wissenschaftlichen und technologischen Erfolgs erwies sich der erste supraleitende Elektromagnet als völlig unrentabel. Anstelle der 75.000 US-Dollar, die im Vertrag mit Bell Laboratories vorgesehen sind, kostete die Idee von General Electric 200.000 US-Dollar. Trotzdem war das Rennen um die Feldinduktivität in den 1970er Jahren. Viele innovative Unternehmen haben sich angeschlossen, darunter Toshiba.
Die Hauptaufgabe bestand dann darin zu verstehen, wie stark ein Feld ein supraleitender Magnet erzeugen kann, denn je höher dieser Wert ist, desto schneller geht die Supraleitung verloren. Zu diesem Zeitpunkt schuf Toshiba zusammen mit der Tohoku-Universität den damals leistungsstärksten supraleitenden Magneten der Welt. Er erzeugte ein Feld mit einer Induktion von 12 T. An der Tohoku Universität wurde es in den Materialwissenschaften eingesetzt.
Gewöhnliche Elektromagnete konnten jedoch ihre „Nachkommen“ bei der Erzeugung elektromagnetischer Felder noch übertreffen. Bis Ende der 1970er Jahre konnte die alte Generation dieser Geräte ein Feld mit einer Induktion von bis zu 23,4 T und supraleitenden Magneten von nur 17,5 T erzeugen.
1983 entwickelten die Ingenieure von Toshiba auf der Grundlage ihrer früheren Entwicklung einen Hybrid-Elektromagneten: Ein herkömmlicher Widerstandselektromagnet wurde in einem supraleitenden Magneten platziert, und das Überqueren ihrer Felder ergab 1986 eine Induktion von 31 T.
Als klar wurde, dass wir eine sehr hohe Leistung elektromagnetischer Felder erreichen können, stellte sich die Frage, wie wir das verwenden sollen, was wir bereits haben. In den 1980er Jahren beschloss Toshiba, wie viele andere Unternehmen, die Technologie auf einem "medizinischen Trainingsgelände" zu vermarkten.
Strahlen des Guten: Wie Toshiba-Supraleiter bei der Behandlung von Krebs helfen
In den 1980er Jahren wurde klar, dass die Magnetresonanztomographie mit elektromagnetischen Feldern von Supraleitern eine viel klarere Diagnose liefern kann als die kürzlich entwickelte Computertomographietechnologie und ältere Röntgenstrahlen. Dies wurde auch von Toshiba erkannt. Seitdem ist das Unternehmen ein Lieferant von supraleitenden Magneten für Hersteller von medizinischen Geräten und bleibt bis heute bestehen.
Einer der ersten supraleitenden Toshiba-Magnete für die MRT. Quelle: Toshiba
Moderne Medizinprodukte werden jedoch immer hybrider: Sie diagnostizieren nicht nur, sondern behandeln beispielsweise beispielsweise Therapiegeräte mit schweren Partikeln.
Ihre Essenz ist, dass sie Strahlen mit der beschleunigten Bewegung schwerer Partikel erzeugen, die an Tumore im menschlichen Körper gesendet werden. Um Strahlen solcher Partikel genau zu lenken, wird ein starkes Magnetfeld benötigt. Bisher wurden solche Maschinen bereits eingesetzt, konnten jedoch den Weg der erzeugten Partikel nicht kontrollieren, weshalb die Patienten ständig ihre Position ändern mussten, um die betroffenen Körperbereiche der Strahlung auszusetzen, was für Krebspatienten nicht einfach ist.
Zu dieser Zeit führten die Ingenieure von Toshiba supraleitende Magnete in das Portal ein - den beweglichen Ringteil des Emitters, der wie ein Portal aussah - und die Stärke der Magnetfelder schnell ändern konnten. Dies ermöglichte es, die Strahlen genauer zu lenken, und die Bewegung des Portals ermöglichte es den Patienten, während der Therapie ruhig zu bleiben.
Die Vorrichtung zur Behandlung schwerer Partikel. Das rotierende Portal hat einen supraleitenden Elektromagneten von Toshiba. Quelle: ToshibaWas ist in der Zukunft: Top 3 vielversprechende Anwendungen von Supraleitern
Neben der Medizin werden heute Supraleiter in Wissenschaft, Energie und Verkehr eingesetzt. Was sind ihre Aussichten in naher Zukunft?
Drähte an Hochtemperatursupraleitern
Seit den ersten Jahren der Entdeckung der Supraleitung hat die Menschheit darüber nachgedacht, wie Strom mithilfe von Supraleitern übertragen werden kann. Herkömmliche Hochspannungsfreileitungen nehmen viel Platz ein und verlieren auch 6-10% der übertragenen Energie.
Tatsächlich passten zunächst supraleitende Metalle, deren chemische Eigenschaften es nicht ermöglichten, Drähte daraus herzustellen, nicht. Dann, mit der Entdeckung von Typ II-Supraleitern, stellte sich die Frage nach ihrer Kühlung, die teures Helium erforderte. Erst 1986 wurde eine Hochtemperatursupraleitung entdeckt, dh es wurden Supraleiter mit einer kritischen Temperatur über 30 Kelvin gefunden. Dies ermöglichte die Verwendung von billigerem Stickstoff zum Kühlen, aber nun stellte sich die Frage, wie ein hochleitfähiger Zustand, dh eine niedrige (hohe) Temperatur über sehr große Segmente, aufrechterhalten werden kann.
Derzeit gibt es in Russland, China, Japan, Südkorea, Europa und den USA Projekte zur Herstellung supraleitender Kabel mit einer Länge von einem bis zehn Kilometern. Russische Ingenieure waren erfolgreich - im vergangenen Jahr wurden die Tests der längsten supraleitenden Gleichstromkabelleitung abgeschlossen. Ein Prototyp auf Basis des Supraleiters Bi2Sr2Ca2Cu3O10 + x mit einer Länge von 2,5 km und einer kritischen Temperatur von –165 ° C soll 2020 in Betrieb genommen werden. Er wird zwei Umspannwerke in St. Petersburg verbinden.
Hochgeschwindigkeitstransport
Die Fähigkeit von Supraleitern, ein starkes und stabiles Magnetfeld zu erzeugen, hat im Transportbereich Anwendung gefunden. In den frühen 1970er Jahren wurde der erste Prototyp eines Zuges auf einem Magnetkissen (German Transrapid 02) hergestellt, und 1984 begann der erste kommerzielle Muggel (nach dem Begriff „Magnetschwebebahn“) zwischen dem Terminal des Flughafens Birmingham und dem Stadtbahnhof zu verkehren (bis 1995 in Betrieb) )
Das Wesen der Technologie ist einfach: Die Zusammensetzung wird durch die Kraft eines elektromagnetischen Feldes über der Fahrbahn gehalten. Sie schiebt den Zug vorwärts - die Aufnahme von Magneten mit den gleichen Polen stößt den Zug von der Straße ab und zieht verschiedene an. Der schnelle abwechselnde Einschluss solcher Magnete erzeugt einen konstanten Spalt zwischen der Bahn mit supraleitenden Elektromagneten und dem Zug. Aufgrund der fehlenden Reibung kann der Muggel auf 500-600 km / h beschleunigen.
Trotz der relativen Einfachheit der Technologie war sie jedoch nicht weit verbreitet. Tatsache ist, dass es zu teuer ist. Zum Beispiel bringt Shanghai Muggle Aeroexpress (seit 2004 im kommerziellen Betrieb) einen jährlichen Verlust von 93 Millionen US-Dollar.
Daher kann die Anwendung elektromagnetischer Felder von Supraleitern in teuren Weltraumprojekten vielversprechender sein. Das gleiche Prinzip der Magnetschwebebahn soll verwendet werden, um Frachtschiffe in den Weltraum zu bringen. Zum Beispiel sagen die Entwickler des Startram-Projekts (geschätzte Kosten von 20 Milliarden US-Dollar), dass sie die Kosten für den Versand eines Kilogramms Weltraumfracht auf 40 US-Dollar senken werden, indem sie einen Beschleunigungstunnel für eine erdnahe Umlaufbahn bauen (gegenüber den derzeit 2.500 US-Dollar von SpaceX auf Falcon-9) )
Beschleunigungstunnel im Startram-Projekt. Quelle: Startram-Projektseite
Fusionsreaktoren
Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsgebiet supraleitender Magnete sind Kernreaktoren. Sie werden benötigt, um die sogenannte Magnetfalle zu erzeugen und das vom Reaktor erzeugte Plasma zu halten. Geladene Teilchen drehen sich um die Magnetfeldlinien. Tatsächlich wird ein magnetisiertes Plasma zu einem Diamagneten, der dazu neigt, das Magnetfeld zu verlassen. Wenn Sie das Plasma mit supraleitenden Magneten umgeben, die starke Felder erzeugen, wird das Plasma in einem bestimmten Volumen gehalten und kann die Wände des Reaktors nicht zerstören.
Mit dieser Technologie wird der ITER-Fusionsreaktor in Frankreich gebaut. Russland nimmt ebenfalls an diesem Projekt teil und war für die Lieferung supraleitender Kabel nach Frankreich verantwortlich, um das sehr elektromagnetische Feld zu erzeugen, das das Plasma „zähmt“. Wie erwartet werden die Magnete beim ersten Start des Reaktors im Jahr 2025 getestet.
Wann wird es wärmer?
Trotz einer mehr als hundertjährigen Geschichte der Supraleitung ist der Haupttraum aller Physiker und Ingenieure - die Raumtemperatur der Supraleitung, die den Einsatz von Supraleitern im Alltag so weit wie möglich ermöglicht - noch nicht verwirklicht. Der letzte Rekord in diesem Bereich wurde kürzlich im Mai 2019 aufgestellt: Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern experimentierte mit einer exotischen Verbindung - Lanthanhydrid (LaH10). Es ist sehr schwierig, dieses Material zu erhalten. Hierzu werden hohe Temperaturen und hoher Druck benötigt, wodurch die hergestellten Lanthanhydridproben mikroskopisch klein sind. Wissenschaftler konnten jedoch überprüfen, wie dieses Material mit einem Magnetfeld interagiert. Bei einer Temperatur von –23 ° C stieß er ein Magnetfeld aus, das seine Supraleitung bewies. Bisher ist dies der wärmste Supraleiter, den wir kennen. Die Suche nach wärmeren Supraleitern hört jedoch nicht auf, sondern geht weiter. Und sobald in diesem Bereich neue Erfolge erzielt werden, werden wir Sie umgehend informieren.