Superkonduktivitas adalah penemuan dengan takdir yang tidak dapat dibandingkan dengan terobosan ilmiah lainnya di abad ke-20. Hasil yang terakhir dengan cepat menemukan jalan mereka dari teori ke ilmu terapan, dan kemudian ke kehidupan sehari-hari. Superkonduktivitas secara konstan menuntut para ilmuwan untuk mencapai dan mengatasi batas-batas tertentu: suhu, bahan kimia, bahan. Dan bahkan lebih dari 100 tahun setelah penemuan fenomena ini, kita masih berjuang dengan hambatan yang sama yang dihadapi para ilmuwan di awal abad terakhir. Kami juga Toshiba, dan kami memiliki sesuatu untuk diceritakan tentang kontribusi kami pada studi dan penjinakan superkonduktivitas.
Apa itu superkonduktivitas dan bagaimana kita mengetahuinya?
Bayangkan Anda perlu mengendarai mobil melalui jalan tanah yang sangat buruk. Di musim hangat, terutama setelah hujan, itu berubah menjadi rawa. Roda terjebak di lumpur, meluncur, terpeleset, mobil melaju dari sisi ke sisi. Kecepatan Anda menurun. Tetapi di musim gugur, selama salju pertama, lumpur mengeras, dan Anda berkendara di sepanjang jalan dengan angin sepoi-sepoi, seolah-olah di sepanjang jalan raya. Berikut ini juga elektron yang membentuk arus listrik, melewati logam ketika suhu berubah. Ketika suatu zat dipanaskan, struktur atomnya sangat terombang-ambing, sehingga sulit bagi elektron untuk bergerak. Atom-atom mengambil elektron dari aliran dan menyebarkannya. Hanya beberapa yang lulus dari titik "A" ke titik "B". Ini menciptakan perlawanan.
Namun, jika logam didinginkan hingga nol absolut (–273 ° ), getaran internal zat ("noise termal") di dalamnya akan berkurang, dan elektron melewatinya tanpa gesekan, yaitu resistansi turun ke nol. Inilah yang disebut superkonduktivitas. Bagaimana semua ini bekerja dari sudut pandang ilmiah dijelaskan dalam banyak artikel dalam publikasi sains khusus dan populer, misalnya, dalam N + 1 (dengan gambar lucu).
Fisikawan Belanda Heike Kammerling-Onnes pada tahun 1911 belum tahu tentang fenomena ini, meskipun ia sudah menyadari bahwa hambatan listrik dari suatu logam berkurang dengan pendinginan. Untuk memeriksa seberapa jauh seseorang bisa bermain game dengan dingin, logam, dan listrik, pelatih asal Belanda itu menggunakan merkuri. Logam inilah pada masa itu yang mengalami pemurnian yang lebih baik dari pengotor yang mengganggu pergerakan elektron.
Dengan penurunan suhu menjadi 4,15 Kelvin, yaitu hingga –269 ° C, resistansi merkuri sepenuhnya hilang. Benar, Kammerling-Onnes tidak mempercayai hal ini, dan, menunjukkan kehati-hatian yang melekat pada ilmuwan, menulis dalam buku hariannya bahwa perlawanan "praktis telah menghilang." Bahkan, itu benar-benar tidak ada, hanya alat ukur maka tidak siap untuk ini, seperti sang peneliti sendiri.
Selanjutnya, Kammerling-Onnes menguji banyak logam untuk superkonduktivitas dan menemukan bahwa timah dan timah memiliki sifat ini. Dia juga menemukan paduan superkonduktor pertama, yang terdiri dari merkuri, emas, dan timah. Untuk eksperimennya dengan suhu sangat rendah, ilmuwan itu dijuluki "Absolute Zero." Tetapi mempertahankan peringkat tinggi ini tidak mudah - percobaan memerlukan helium cair, yang langka pada waktu itu, yang tidak memungkinkan Kammerling-Onnes menemukan properti fundamental kedua konduktor.
Efek Meisner: bisa peti mati nabi terbang
Mitos berikut tersebar luas di Eropa abad pertengahan: di Mekah, di salah satu istana, sebuah peti besi (menurut pengertian lain, tembaga) dengan mayat nabi Muhammad membumbung di udara, hanya ditopang oleh magnet yang kuat. Peziarah dari seluruh dunia Islam datang ke sana untuk melihat tontonan ini, dan dalam ekstasi keagamaan mereka memandang keluar karena mereka percaya bahwa mereka tidak akan pernah melihat sesuatu yang lebih indah dalam hidup.
Peziarah itu berlutut di depan peti mati yang melayang di atas fragmen Catalan Atlas abad ke-14. Sumber: Wikimedia Commons
Pada kenyataannya, nabi dimakamkan tidak di Mekah, tetapi di Madinah; peti mati itu terbuat dari kayu, meskipun didekorasi dengan sangat kaya; tidak ada magnet juga diperhatikan, yang diperiksa pada abad ke-19. Kemudian terbukti bahwa tubuh feromagnetik di bidang magnet permanen tidak dapat mempertahankan keseimbangan stabil.
Namun demikian, jika penulis sejarah abad pertengahan selamat dari mitos fiksi selama satu abad, maka mereka dapat memiliki kartu truf yang kuat yang mereka miliki. Pada tahun 1933, fisikawan Jerman Walter Meissner dan Robert Oksenfeld memutuskan untuk menguji bagaimana medan magnet didistribusikan di sekitar superkonduktor. Dan lagi, penemuan tak terduga dibuat: superkonduktor didinginkan ke suhu kritis mendorong keluar medan magnet konstan eksternal dari volumenya. Ternyata, arus yang melewati superkonduktor menciptakan medan magnet mereka di lapisan permukaan zat yang tipis. Dalam kondisi superkonduktor, kekuatan medan ini sama dengan medan magnet eksternal yang bekerja padanya.
Jika peti mati nabi dibuat dari magnet dan ditempatkan di sebuah gua yang terdiri dari superkonduktor yang didinginkan hingga suhu kritis, maka mungkin ia akan benar-benar melayang di udara, seperti yang digambarkan oleh orang Eropa abad pertengahan. Bagaimanapun, dalam skala kecil dan dengan peserta yang kurang sakral, percobaan semacam itu telah dilakukan berkali-kali.
Ini adalah bagaimana peti mati nabi bisa melayang jika semua kondisi efek Meissner diperhitungkan selama penguburannya. Sumber: Saluran YouTube Empiric School
Penemuan efek Meissner juga membantu kami memahami bahwa tidak semua superkonduktor adalah sama. Selain beberapa logam murni, superkonduktivitas juga muncul dalam paduan. Namun, sementara dalam zat murni efek Meissner memanifestasikan dirinya sepenuhnya (superkonduktor tipe I), kemudian dalam paduan itu sebagian memanifestasikan dirinya, karena mereka tidak homogen (superkonduktor tipe II). Di dalamnya, medan magnet tidak sepenuhnya didorong keluar, tetapi mengisi ruang di sepanjang arus super yang melewati konduktor. Itu dengan penemuan mereka bahwa penggunaan praktis superkonduktor dalam bentuk magnet dimulai.
Tesla akan bangga: bagaimana Toshiba menciptakan magnet superkonduktor paling kuat di dunia
Dalam upaya menurunkan suhu kritis pada 1960-an, umat manusia telah menemukan banyak superkonduktor kelas dua yang sudah dapat digunakan untuk keperluan industri dan dalam skala besar. Tugas logis pertama di sepanjang jalan ini adalah pembuatan magnet superkonduktor, yang seharusnya menggantikan elektromagnet yang ditemukan pada abad ke-19, berdasarkan penggunaan logam biasa.
Magnet superkonduktor memungkinkan untuk menciptakan medan yang jauh lebih stabil dan kuat dengan penggunaan listrik yang lebih efisien. Pada tahun 1962, kabel superkonduktor niobium dan titanium pertama kali dikembangkan, dan pada tahun yang sama magnet superkonduktor besar pertama dibuat. Ini dirancang oleh General Electric. Kekuatan bidang yang dihasilkannya mencapai 10 tesla. Sebagai perbandingan: kebanyakan tomografi resonansi magnetik rumah sakit hari ini menghasilkan bidang dengan induksi dari 1 hingga 10 T.
Benar, terlepas dari keberhasilan sains dan teknologi yang jelas, elektromagnet superkonduktor pertama ternyata sama sekali tidak menguntungkan. Alih-alih $ 75 ribu yang ditentukan oleh kontrak dengan Bell Laboratories, gagasan General Electric menghabiskan biaya $ 200 ribu. Namun demikian, perlombaan untuk induktansi lapangan pada tahun 1970-an. Banyak perusahaan inovatif telah bergabung, termasuk Toshiba.
Tugas utama kemudian adalah untuk memahami seberapa kuat medan magnet superkonduktor dapat membuat, karena semakin tinggi nilai ini, semakin cepat superkonduktivitas hilang. Saat itulah Toshiba, bersama dengan Universitas Tohoku, menciptakan magnet superkonduktor paling kuat di dunia pada waktu itu. Dia menghasilkan bidang dengan induksi 12 T. Di Universitas Tohoku, itu digunakan dalam ilmu material.
Namun, elektromagnet biasa masih mampu melampaui "keturunan" mereka dalam generasi medan elektromagnetik. Pada akhir 1970-an, generasi lama perangkat ini dapat membuat bidang dengan induksi hingga 23,4 T, sementara magnet superkonduktor - hanya 17,5 T.
Pada tahun 1983, insinyur Toshiba berdasarkan perkembangan mereka sebelumnya menciptakan elektromagnet hybrid: elektromagnet resistif konvensional ditempatkan di dalam magnet superkonduktor, dan melintasi bidang mereka memberikan induksi 31 T pada tahun 1986.
Ketika menjadi jelas bahwa kita dapat mencapai kekuatan medan elektromagnetik yang sangat tinggi, muncul pertanyaan, tetapi bagaimana menggunakan apa yang sudah kita miliki? Pada 1980-an, Toshiba, seperti banyak perusahaan lain, memutuskan untuk mengkomersialkan teknologi di "tempat pelatihan medis."
Sinar kebaikan: bagaimana superkonduktor Toshiba membantu mengobati kanker
Pada 1980-an, menjadi jelas bahwa pencitraan resonansi magnetik menggunakan medan elektromagnetik superkonduktor dapat memberikan diagnosis yang jauh lebih jelas daripada teknologi tomografi komputer yang baru dikembangkan dan x-ray yang lebih tua. Ini juga diakui oleh Toshiba. Sejak itu, perusahaan telah menjadi pemasok magnet superkonduktor untuk produsen peralatan medis dan tetap sampai hari ini.
Salah satu magnet superkonduktor Toshiba pertama yang dirancang untuk MRI. Sumber: Toshiba
Namun, perangkat medis modern menjadi hibrid: mereka tidak hanya mendiagnosis, tetapi juga mengobati, seperti, misalnya, perangkat terapi menggunakan partikel berat.
Esensi mereka adalah bahwa mereka menghasilkan sinar dengan gerakan dipercepat partikel-partikel berat yang dikirim ke tumor di tubuh manusia. Untuk mengarahkan berkas partikel tersebut secara akurat, diperlukan medan magnet yang kuat. Sebelumnya, mesin seperti itu sudah digunakan, tetapi mereka tidak dapat mengontrol jalur partikel yang dihasilkan, karena itu pasien harus terus-menerus mengubah posisi mereka untuk mengekspos area tubuh yang terkena radiasi, yang tidak mudah bagi pasien dengan kanker.
Pada saat itu, insinyur Toshiba memperkenalkan magnet superkonduktor ke dalam gantry - bagian cincin bergerak dari emitor yang tampak seperti portal - yang dapat dengan cepat mengubah kekuatan medan magnet. Hal ini memungkinkan untuk mengarahkan sinar secara lebih akurat, dan pergerakan gantry memungkinkan pasien untuk tetap tenang selama terapi.
Alat untuk perawatan partikel berat. Gantry berputar memiliki elektromagnet superkonduktor Toshiba. Sumber: ToshibaApa yang ada di masa depan: 3 aplikasi superkonduktor yang menjanjikan
Selain obat-obatan, superkonduktor saat ini digunakan dalam sains, energi, dan transportasi. Apa prospek mereka dalam waktu dekat?
Kabel pada superkonduktor suhu tinggi
Dari tahun-tahun pertama penemuan superkonduktivitas, umat manusia telah memikirkan cara mentransmisikan arus menggunakan superkonduktor. Saluran udara konvensional bertegangan tinggi konvensional menempati banyak ruang, dan juga kehilangan 6-10% dari energi yang ditransmisikan.
Pada awalnya, pada kenyataannya, logam superkonduktor, yang sifat kimianya tidak memungkinkan membuat kabel darinya, tidak cocok. Kemudian, dengan ditemukannya superkonduktor tipe II, muncul pertanyaan tentang pendinginannya, yang membutuhkan helium mahal. Hanya pada tahun 1986, superkonduktivitas suhu tinggi ditemukan, yaitu superkonduktor dengan suhu kritis di atas 30 kelvin ditemukan. Ini memungkinkan untuk menggunakan nitrogen yang lebih murah untuk pendinginan, tetapi sekarang muncul pertanyaan tentang bagaimana mempertahankan keadaan yang sangat konduktif, yaitu, suhu rendah (tinggi) di segmen yang sangat besar.
Sekarang di Rusia, Cina, Jepang, Korea Selatan, Eropa dan Amerika Serikat, ada proyek untuk membuat kabel superkonduktor dari panjang satu hingga sepuluh kilometer. Insinyur Rusia mencapai kesuksesan - tahun lalu tes jalur kabel DC superkonduktor terpanjang selesai. Sebuah prototipe yang didasarkan pada superkonduktor Bi2Sr2Ca2Cu3O10 + x sepanjang 2,5 km dengan suhu kritis –165 ° C direncanakan akan ditugaskan pada tahun 2020 dan akan menghubungkan dua gardu di St. Petersburg.
Transportasi kecepatan tinggi
Kemampuan superkonduktor untuk menciptakan medan magnet yang kuat dan stabil telah menemukan aplikasi dalam transportasi. Pada awal 1970-an, kereta prototipe pertama di atas bantalan magnetik (German Transrapid 02) dibuat, dan pada 1984 muggle komersial pertama (dari frasa "levitasi magnetik") mulai berjalan antara terminal Bandara Birmingham dan stasiun kereta kota (bekerja hingga 1995). )
Inti dari teknologi ini sederhana: komposisi dipegang di atas jalan oleh kekuatan medan elektromagnetik. Dia mendorong kereta ke depan - dimasukkannya magnet dari kutub yang sama mengusir kereta dari jalan, dan menarik yang berbeda. Dimasukkannya bolak-balik yang cepat dari magnet semacam itu menciptakan celah konstan antara web dengan elektromagnet superkonduktor dan kereta. Karena kurangnya gesekan, Muggle dapat berakselerasi hingga 500-600 km / jam.
Namun, meskipun kesederhanaan relatif dari teknologi, itu tidak banyak digunakan. Faktanya adalah terlalu mahal. Misalnya, Shanghai Muggle Aeroexpress (dalam operasi komersial sejak 2004) membawa kerugian tahunan sebesar $ 93 juta.
Oleh karena itu, penerapan medan elektromagnetik superkonduktor mungkin lebih menjanjikan dalam proyek ruang angkasa yang mahal. Prinsip levitasi magnetik yang sama seharusnya digunakan untuk meluncurkan kapal kargo ke luar angkasa. Misalnya, para pengembang proyek Startram (perkiraan biaya $ 20 miliar), mengatakan mereka akan mengurangi biaya pengiriman satu kilogram kargo luar angkasa menjadi $ 40 dengan membangun terowongan percepatan yang ditujukan untuk orbit Bumi rendah (terhadap $ 2.500 saat ini dari SpaceX di Falcon-9 )
Terowongan percepatan dalam proyek Startram. Sumber: Situs proyek Startram
Reaktor fusi
Daerah lain yang menjanjikan dari aplikasi magnet superkonduktor adalah reaktor termonuklir. Mereka diperlukan untuk membuat apa yang disebut perangkap magnetik, untuk menahan plasma yang dihasilkan oleh reaktor. Partikel bermuatan berputar di sekitar garis medan magnet. Faktanya, plasma yang termagnetisasi menjadi diamagnet, yang cenderung meninggalkan medan magnet. Dengan demikian, jika Anda mengelilingi plasma dengan magnet superkonduktor menghasilkan medan yang kuat, plasma akan disimpan dalam volume yang diberikan dan tidak akan dapat menghancurkan dinding reaktor.
Teknologi inilah yang digunakan untuk membangun reaktor fusi ITER di Perancis. Rusia juga mengambil bagian dalam proyek ini, dan dialah yang bertanggung jawab atas suplai kabel superkonduktor ke Prancis untuk menciptakan medan yang sangat elektromagnetik yang “menjinakkan” plasma. Seperti yang diharapkan, magnet akan diuji selama peluncuran pertama reaktor pada tahun 2025.
Kapan akan lebih hangat?
Meskipun lebih dari satu abad sejarah superkonduktivitas, impian utama semua fisikawan dan insinyur - suhu ruang superkonduktivitas, yang akan memungkinkan penggunaan superkonduktor seluas mungkin dalam kehidupan sehari-hari - belum tercapai. Rekor terakhir di bidang ini ditetapkan baru-baru ini, pada bulan Mei 2019: sekelompok ilmuwan internasional bereksperimen dengan senyawa eksotis - lanthanum hydride (LaH10). Mendapatkan materi ini sangat sulit. Untuk ini, diperlukan suhu tinggi dan tekanan tinggi, yang membuat sampel lantanum hidrida yang dihasilkan berukuran kecil secara mikroskopis. Namun, para ilmuwan dapat memverifikasi bagaimana bahan ini berinteraksi dengan medan magnet. Pada suhu -23 °,, ia mendorong medan magnet, yang membuktikan superkonduktivitasnya. Sejauh ini, ini adalah superkonduktor terhangat yang kita tahu. Namun, pencarian superkonduktor yang lebih hangat tidak berhenti, tetapi terus berlanjut. Dan segera setelah keberhasilan baru dicapai di bidang ini, kami akan segera memberi tahu Anda.