La supraconductivité est une découverte au sort peu enviable par rapport à d'autres percées scientifiques du XXe siècle. Les résultats de cette dernière ont rapidement trouvé leur chemin de la théorie à la science appliquée, puis dans la vie quotidienne. La supraconductivité nécessite constamment que les scientifiques atteignent et dépassent certaines limites: température, produit chimique, matériau. Et même plus de 100 ans après la découverte de ce phénomène, nous sommes toujours aux prises avec les mêmes obstacles que les scientifiques ont rencontrés au début du siècle dernier. Nous sommes également Toshiba et nous avons quelque chose à dire sur notre contribution à l'étude et à la maîtrise de la supraconductivité.
Qu'est-ce que la supraconductivité et comment l'avons-nous découvert?
Imaginez que vous devez conduire une voiture sur un très mauvais chemin de terre. Pendant la saison chaude, surtout après la pluie, il se transforme en marécage. Les roues se coincent dans la boue, glissent, glissent, la voiture roule d'un côté à l'autre. Votre vitesse baisse. Mais en automne, lors des premières gelées, la boue durcit, et vous roulez le long de la route avec une brise, comme si vous longiez une autoroute. Voici également les électrons qui composent le courant électrique, traversent les métaux lorsque la température change. Lorsqu'une substance est chauffée, ses structures atomiques oscillent considérablement, ce qui rend difficile le déplacement des électrons. Les atomes saisissent les électrons du courant et les dispersent. Seuls quelques-uns passent du point «A» au point «B». Cela crée une résistance.
Cependant, si le métal est refroidi à zéro absolu (–273 ° ), les vibrations internes de la substance («bruit thermique») y diminuent et les électrons la traversent sans frottement, c'est-à-dire que la résistance tombe à zéro. C'est ce qu'on appelle la supraconductivité. Comment tout cela fonctionne d'un point de vue scientifique est décrit dans de nombreux articles dans des publications scientifiques spéciales et populaires, par exemple, en N + 1 (avec des images amusantes).
Le physicien néerlandais Heike Kammerling-Onnes en 1911 ne connaissait pas encore ce phénomène, même s'il savait déjà que la résistance électrique d'un métal diminue avec le refroidissement. Pour vérifier jusqu'où on pouvait aller dans les jeux avec le froid, le métal et l'électricité, le Néerlandais a utilisé du mercure. C'est ce métal à cette époque qui a subi une meilleure purification des impuretés qui interfèrent avec le mouvement des électrons.
Avec une baisse de température à 4,15 Kelvin, c'est-à-dire à -269 ° C, la résistance au mercure a complètement disparu. Certes, Kammerling-Onnes ne le croyait pas et, faisant preuve de prudence inhérente au scientifique, a écrit dans son journal que la résistance "avait pratiquement disparu". En fait, il était complètement absent, seuls les instruments de mesure n'étaient pas prêts pour cela, comme le chercheur lui-même.
Par la suite, Kammerling-Onnes a testé la supraconductivité de nombreux métaux et a découvert que le plomb et l'étain possédaient cette propriété. Il a également découvert le premier alliage supraconducteur, composé de mercure, d'or et d'étain. Pour ses expériences avec des températures extrêmement basses, le scientifique a été surnommé «Absolute Zero». Mais maintenir ce rang élevé n'était pas facile - les expériences nécessitaient de l'hélium liquide, qui était rare à l'époque, ce qui n'a pas permis à Kammerling-Onnes de découvrir la deuxième propriété fondamentale des conducteurs.
Effet Meisner: le cercueil du prophète pourrait-il voler
Le mythe suivant était répandu dans l'Europe médiévale: à La Mecque, dans l'un des palais, un cercueil en fer (selon d'autres notions, un cuivre) avec le corps du prophète Mahomet plane dans les airs, non soutenu par quoi que ce soit mais par des aimants puissants. Des pèlerins de partout dans le monde islamique viennent là pour voir ce spectacle, et dans l'extase religieuse ils regardent parce qu'ils croient qu'ils ne verront jamais rien de plus merveilleux dans la vie.
Le pèlerin tomba à genoux devant le cercueil en lévitation sur un fragment de l'Atlas catalan du XIVe siècle. Source: Wikimedia Commons
En réalité, le prophète a été enterré non pas à La Mecque, mais à Médine; le cercueil était en bois, bien que richement décoré; aucun aimant n'a également été remarqué, ce qui a été vérifié au 19e siècle. Il a ensuite été prouvé qu'un corps ferromagnétique dans le domaine des aimants permanents ne peut pas maintenir un équilibre stable.
Néanmoins, si les chroniqueurs médiévaux ont survécu au mythe fictif pendant un siècle, ils pourraient alors disposer d'un puissant atout. En 1933, les physiciens allemands Walter Meissner et Robert Oksenfeld décident de tester la répartition du champ magnétique autour du supraconducteur. Et encore une fois, une découverte inattendue a été faite: un supraconducteur refroidi à une température critique a chassé un champ magnétique constant extérieur de son volume. Il s'est avéré que les courants traversant le supraconducteur créent leur champ magnétique dans une mince couche superficielle de la substance. Dans l'état supraconducteur, la force de ce champ est égale au champ magnétique externe qui agit sur lui.
Si le cercueil du prophète était créé à partir d'aimants et placé dans une grotte composée de supraconducteurs refroidis à des températures critiques, alors peut-être qu'il s'élèverait vraiment dans l'air, comme le décrivaient les Européens médiévaux. En tout cas, à petite échelle et avec des participants moins sacrés, une telle expérience a déjà été menée plusieurs fois.
C'est ainsi que le cercueil du prophète pourrait léviter si toutes les conditions de l'effet Meissner étaient prises en compte lors de son enterrement. Source: Chaîne YouTube de l'Empiric School
La découverte de l'effet Meissner nous a également permis de comprendre que tous les supraconducteurs ne sont pas identiques. En plus des quelques métaux purs, la supraconductivité apparaît également dans les alliages. Cependant, alors que dans les substances pures, l'effet Meissner se manifeste complètement (supraconducteurs de type I), puis dans les alliages, il se manifeste partiellement, car ils ne sont pas homogènes (supraconducteurs de type II). En eux, le champ magnétique n'est pas complètement expulsé, mais remplit l'espace le long des super-courants traversant le conducteur. C'est avec leur découverte que l'utilisation pratique des supraconducteurs sous forme d'aimants a commencé.
Tesla serait fier: comment Toshiba a créé l'aimant supraconducteur le plus puissant au monde
Dans le but d'abaisser la température critique dans les années 1960, l'humanité a découvert de nombreux supraconducteurs de seconde classe qui pouvaient déjà être utilisés à des fins industrielles et à grande échelle. La première tâche logique sur cette voie a été la création d'aimants supraconducteurs, censés remplacer les électro-aimants inventés au XIXe siècle, basés sur l'utilisation de métaux ordinaires.
Un aimant supraconducteur a permis de créer des champs beaucoup plus stables et puissants avec une utilisation plus efficace de l'électricité. En 1962, les premiers fils supraconducteurs de niobium et de titane ont été développés, et la même année, le premier grand aimant supraconducteur a été créé. Il a été conçu par General Electric. La puissance des champs générés par lui a atteint 10 tesla. A titre de comparaison: la plupart des tomographes à résonance magnétique hospitaliers génèrent aujourd'hui un champ d'induction de 1 à 10 T.
Certes, malgré le succès scientifique et technologique évident, le premier électro-aimant supraconducteur s'est avéré totalement non rentable. Au lieu des 75 000 $ stipulés par le contrat avec Bell Laboratories, l'idée originale de General Electric a coûté 200 000 $. Néanmoins, la course à l'inductance sur le terrain dans les années 1970. De nombreuses entreprises innovantes se sont jointes, dont Toshiba.
La tâche principale était alors de comprendre la force d'un champ qu'un aimant supraconducteur peut créer, car plus cette valeur est élevée, plus la supraconductivité est perdue rapidement. C'est alors que Toshiba, en collaboration avec l'Université de Tohoku, a créé l'aimant supraconducteur le plus puissant du monde à l'époque. Il a généré un champ avec une induction de 12 T. À l'Université Tohoku, il a été utilisé en science des matériaux.
Cependant, les électro-aimants ordinaires pouvaient encore surpasser leurs «descendants» dans la génération de champs électromagnétiques. À la fin des années 1970, l'ancienne génération de ces appareils pouvait créer un champ d'induction jusqu'à 23,4 T, tandis que les aimants supraconducteurs - seulement 17,5 T.
En 1983, les ingénieurs de Toshiba, sur la base de leur développement précédent, ont créé un électroaimant hybride: un électroaimant résistif conventionnel a été placé à l'intérieur d'un aimant supraconducteur, et la traversée de leurs champs a donné une induction de 31 T en 1986.
Quand il est devenu clair que nous pouvons atteindre une puissance très élevée de champs électromagnétiques, la question s'est posée, mais comment utiliser ce que nous avons déjà? Dans les années 80, Toshiba, comme de nombreuses autres sociétés, a décidé de commercialiser la technologie sur un «terrain de formation médicale».
Les bienfaits: comment les supraconducteurs Toshiba aident à traiter le cancer
Dans les années 1980, il est devenu clair que l'imagerie par résonance magnétique utilisant les champs électromagnétiques des supraconducteurs peut fournir un diagnostic beaucoup plus clair que la nouvelle technologie de tomodensitométrie et les radiographies plus anciennes. Cela a également été reconnu par Toshiba. Depuis lors, la société est devenue un fournisseur d'aimants supraconducteurs pour les fabricants de matériel médical et reste à ce jour.
L'un des premiers aimants supraconducteurs Toshiba conçu pour l'IRM. Source: Toshiba
Cependant, les dispositifs médicaux modernes deviennent hybrides: non seulement ils diagnostiquent, mais traitent également, comme par exemple les dispositifs de thérapie utilisant des particules lourdes.
Leur essence est qu'ils génèrent des rayons avec le mouvement accéléré de particules lourdes qui sont envoyées aux tumeurs du corps humain. Pour diriger avec précision les faisceaux de ces particules, un puissant champ magnétique est nécessaire. Auparavant, de telles machines étaient déjà utilisées, mais elles ne pouvaient pas contrôler le chemin des particules générées, à cause desquelles les patients devaient constamment changer de position afin d'exposer les zones affectées du corps aux radiations, ce qui n'est pas facile pour les patients cancéreux.
À cette époque, les ingénieurs de Toshiba ont introduit des aimants supraconducteurs dans le portique - la partie annulaire mobile de l'émetteur qui ressemblait à un portail - qui ont pu changer rapidement la force des champs magnétiques. Cela a permis de diriger plus précisément les rayons et le mouvement du portique a permis aux patients de rester calmes pendant le traitement.
L'appareil pour le traitement des particules lourdes. Le portique rotatif possède un électro-aimant supraconducteur Toshiba. Source: ToshibaL'avenir: les 3 meilleures applications prometteuses des supraconducteurs
En plus de la médecine, les supraconducteurs sont aujourd'hui utilisés dans les sciences, l'énergie et les transports. Quelles sont leurs perspectives dans un avenir proche?
Fils sur supraconducteurs à haute température
Dès les premières années de la découverte de la supraconductivité, l'humanité a réfléchi à la manière de transmettre le courant à l'aide de supraconducteurs. Les lignes aériennes à haute tension conventionnelles occupent beaucoup d'espace et perdent également 6 à 10% de l'énergie transmise.
Au début, en effet, les métaux supraconducteurs, dont les propriétés chimiques ne permettaient pas d'en fabriquer des fils, ne convenaient pas. Puis, avec la découverte des supraconducteurs de type II, la question s'est posée de leur refroidissement, qui nécessitait de l'hélium coûteux. Ce n'est qu'en 1986 que la supraconductivité à haute température a été découverte, c'est-à-dire que des supraconducteurs avec une température critique supérieure à 30 kelvins ont été trouvés. Cela a permis d'utiliser de l'azote moins cher pour le refroidissement, mais maintenant la question s'est posée de savoir comment maintenir un état hautement conducteur, c'est-à-dire une température basse (élevée) sur de très grands segments.
Aujourd'hui, en Russie, en Chine, au Japon, en Corée du Sud, en Europe et aux États-Unis, il existe des projets de création de câbles supraconducteurs de un à dix kilomètres de long. Les ingénieurs russes ont réussi - l'année dernière, les tests de la plus longue ligne de câbles CC supraconducteurs ont été achevés. Un prototype basé sur le supraconducteur Bi2Sr2Ca2Cu3O10 + x de 2,5 km de long avec une température critique de –165 ° C devrait être mis en service en 2020 et reliera deux sous-stations à Saint-Pétersbourg.
Transport à grande vitesse
La capacité des supraconducteurs à créer un champ magnétique puissant et stable a trouvé une application dans le transport. Au début des années 1970, le premier prototype de train sur coussin magnétique (German Transrapid 02) a été créé, et en 1984, le premier moldu commercial (de l'expression «lévitation magnétique») a commencé à circuler entre le terminal de l'aéroport de Birmingham et la gare de la ville (a fonctionné jusqu'en 1995 )
L'essence de la technologie est simple: la composition est maintenue au-dessus de la chaussée par la force d'un champ électromagnétique. Elle pousse le train vers l'avant - l'inclusion d'aimants des mêmes poteaux repousse le train de la route et en attire différents. L'inclusion alternée rapide de tels aimants crée un espace constant entre la bande avec des électroaimants supraconducteurs et le train. En raison du manque de friction, le Moldu peut accélérer à 500-600 km / h.
Cependant, malgré la relative simplicité de la technologie, elle n'était pas largement utilisée. Le fait est que c'est trop cher. Par exemple, Shanghai Muggle Aeroexpress (en exploitation commerciale depuis 2004) génère une perte annuelle de 93 millions de dollars.
Par conséquent, l'application des champs électromagnétiques des supraconducteurs peut être plus prometteuse dans les projets spatiaux coûteux. Le même principe de lévitation magnétique est censé être utilisé pour lancer des cargos dans l'espace. Par exemple, les développeurs du projet Startram (coût estimé à 20 milliards de dollars), disent qu'ils réduiront le coût d'envoi d'un kilogramme de fret spatial à 40 dollars en construisant un tunnel d'accélération destiné à une orbite terrestre basse (contre les 2500 dollars actuels de SpaceX sur Falcon-9 )
Tunnel d'accélération dans le projet Startram. Source: site du projet Startram
Réacteurs à fusion
Un autre domaine d'application prometteur des aimants supraconducteurs est celui des réacteurs thermonucléaires. Ils sont nécessaires pour créer le soi-disant piège magnétique, pour contenir le plasma produit par le réacteur. Les particules chargées tournent autour des lignes de champ magnétique. En fait, un plasma magnétisé devient un diamagnet qui a tendance à quitter le champ magnétique. En conséquence, si vous entourez le plasma d'aimants supraconducteurs générant des champs puissants, le plasma sera maintenu dans un volume donné et ne pourra pas détruire les parois du réacteur.
C'est cette technologie qui est utilisée pour construire le réacteur de fusion ITER en France. La Russie participe également à ce projet, et c'est elle qui était responsable de la fourniture de câbles supraconducteurs à la France pour créer le champ électromagnétique même qui «dompte» le plasma. Comme prévu, les aimants seront testés lors du premier lancement du réacteur en 2025.
Quand va-t-il se réchauffer?
Malgré plus d'un siècle d'histoire de la supraconductivité, le rêve principal de tous les physiciens et ingénieurs - la température ambiante de la supraconductivité, qui permettra d'utiliser les supraconducteurs aussi largement que possible dans la vie quotidienne - n'a pas encore été réalisé. Le dernier record dans ce domaine a été établi récemment, en mai 2019: un groupe international de scientifiques a expérimenté avec un composé exotique - l'hydrure de lanthane (LaH10). L'obtention de ce matériel est très difficile. Pour cela, une température et une pression élevées sont nécessaires, ce qui rend les échantillons d'hydrure de lanthane produits microscopiquement petits. Cependant, les scientifiques ont pu vérifier comment ce matériau interagit avec un champ magnétique. À une température de –23 ° C, il a expulsé un champ magnétique, ce qui a prouvé sa supraconductivité. Jusqu'à présent, c'est le supraconducteur le plus chaud que nous connaissons. Cependant, la recherche de supraconducteurs plus chauds ne s'arrête pas, elle continue. Et dès que de nouveaux succès seront atteints dans ce domaine, nous vous informerons immédiatement.