Im Januar 2019 CERN angekündigt dass die Pläne für einen Future Circular Collider FCC abgeschlossen wurden, der den fast 100 Kilometer langen Large Hadron Collider ersetzen soll, der von Magneten angetrieben wird, die die Kraft der Supraleitung nutzen. Partikel können bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werdenUm zusammengeschlagen zu werden, hat die FCC das Potenzial, eine „Higgs-Boson-Fabrik“ zu werden. Aber was macht Supraleiter so leistungsstark?
Die Antwort liegt in der unglaublichen Eigenschaft der Supraleitung, einer einzigartigen Materialeigenschaft, die die elektrische Übertragung, den Transport und die Physik, wie wir sie kennen, revolutionieren kann.
Was ist Supraleitung?
Supraleitung ist eindeutig wichtig, also was ist das?
Zunächst müssen wir verstehen, wie elektrischer Strom durch ein Material fließt und welche Rolle der Widerstand in diesem Prozess spielt.
um eine zu haben elektrischer Strom Sie benötigen ein negativ geladenes Material, ein relativ positives Material und einen Leiter, der Elektronen vom negativ geladenen zum positiv geladenen Material leitet.
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Dieser Prozess ist jedoch nicht perfekt. Nicht jedes Material lässt diese Elektronen so leicht durch wie das nächste, und selbst in den leitfähigsten Metallen wie Kupfer bietet das Material Widerstand gegen den Strom. Dies Widerstand bedeutet, dass nicht der gesamte Strom durch das Material fließen kann und dass der Strom einen Teil seiner Energie in Form von Wärme verliert.
Dieser Energieverlust ist nicht unbedingt schlecht, da diese Wärmeenergie uns gibt elektrisches Licht und andere moderne Technologien, aber wenn Sie Strom von einem Teil des Landes in einen anderen übertragen, ist dieser Energieverlust unglaublich ineffizient.
Ein weiteres Problem ist, dass die aktuelle schwächt im Laufe der Zeit beim Durchgang durch ein widerstandsfähiges Material, da es langsam als Wärmeenergie abgeführt wird. Dies bedeutet, dass die Grenze eines elektrischen Stroms begrenzt ist, bevor er sich vollständig auflöst.
Das ist es, was die Supraleitung so besonders macht. Supraleitung ist, wenn ein Material aufhört, einem elektrischen Strom zu widerstehen, und es frei durchlässt, ohne dass dadurch ein Energieverlust erkennbar wird.
Um Material in einen supraleitenden Zustand zu bringen, muss das Material auf eine extrem niedrige Temperatur eingefroren werden, manchmal nur wenige Grad darüber. absoluter Nullpunkt -459,67 Grad Fahrenheit, -273,15 Grad Celsius. Dann hört der elektrische Widerstand aus Gründen, die wir immer noch nicht erklären können, abrupt auf und ein elektrischer Strom kann scheinbar für immer um einen Stromkreis herum fließen.
Dies ist nicht die einzige exotische Eigenschaft der Supraleitung. Viele Materialien in einem supraleitenden Zustand können ein Magnetfeld aufheben, was dazu führt, dass Magnete über dem Supraleiter „schweben“.
Wie haben wir überhaupt so etwas wie einen Supraleiter entdeckt?
Wie viele große wissenschaftliche Entdeckungen wurde die Supraleitung völlig zufällig entdeckt.
Am 8. April 1911 untersuchte die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes von der Universität Leiden die Eigenschaften von festem Quecksilber, als er stolperte über das bizarre Phänomen.
Nehmen Sie flüssiges Helium und senken Sie damit die Temperatur einer festen Quecksilberspule auf nur 4,2 Grad Kelvin -452,11 Grad Fahrenheit, -268,95 Grad Celsius, Onnes sah, dass der elektrische Widerstand plötzlich verschwand und die Stärke des elektrischen Stroms in der Spule nicht nachließ.
Onnes testete dieses Verfahren später an Blei und stellte fest, dass es auch nicht mehr einem elektrischen Strom widersteht, diesmal bei 7 Grad Kelvin. Er nannte die neu entdeckte Eigenschaft Supraleitung und gewann 1913 den Nobelpreis für seine Arbeit.
Der nächste großer Sprung kam 1933, als die deutschen Wissenschaftler Walther Meissner und Robert Ochsenfeld herausfanden, dass Material in einem supraleitenden Zustand ein Magnetfeld abstößt. Ein Magnet, der über einen Leiter läuft, erzeugt elektrischen Strom, was elektrische Generatoren ermöglicht.
In einem Supraleiter reflektiert der Strom, den der Magnet erzeugt, genau das vom Magneten erzeugte Feld, das den Magneten abstößt. Dies hat den Effekt, dass der Magnet in der Luft schwebt, was heute als Meissner-Effekt bekannt ist.
Wissenschaftler machen in den nächsten Jahrzehnten weiterhin Entdeckungen, aber die nächster Hauptfach Der Schritt in der Supraleitung kam, als Alex Müller und Georg Bednorz vom IBM Research Laboratory in Rüschlikon, Schweiz, ein Keramikmaterial herstellten, das bei 30 Grad Kelvin supraleitend war.
Dies löste eine Reihe von Aktivitäten aus, da Wissenschaftler eine Keramik nicht als supraleitendes Material angesehen hatten - Keramik ist normalerweise ein Isolator -, was schließlich dazu führte, dass ein Forschungsteam an der Universität von Alabama-Huntsville eine Keramik entwickelte, die bei 92 Grad supraleitend warKelvin -294 Grad Fahrenheit, -181,15 Grad Celsius, wärmer als flüssiger Stickstoff, der weit verbreitet ist.
Wie werden Supraleiter verwendet?
Wir erforschen noch die praktischen Anwendungen von Supraleitern, aber sie wurden bereits weltweit eingesetzt.
Abgesehen von spezifischen industriellen Anwendungen ist die am weitesten verbreitete Anwendung für Supraleiter eine MRT-Gerät häufig in Krankenhäusern anzutreffen. Nur ein supraleitendes System kann es ermöglichen, dass die Energie, die zur Erzeugung eines Magnetfelds für eine MRT benötigt wird, das zwischen dem 2.500-fachen und dem 10.000-fachen der Stärke des Erdmagnetfelds liegen kann, wirtschaftlich ist.
Neben dem MRT-Gerät ist die bekannteste Verwendung von supraleitenden Materialien in Teilchenbeschleuniger wie die Art, die im Large Hadron Collider LHC des CERN oder im vorgeschlagenen Future Circular Collider verwendet wird.
Wenn das MRT-Gerät leistungsstark klingt, ist der LHC ein absolutes Biest .
Das Senden von Billionen von Partikeln um 27 km Tunnel mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit, um den Partikelstrahl stabil zu halten und sich auf dem genauen Weg zu bewegen, erfordert ein Magnetfeld mit immenser Kraft, das mehr als das 100.000-fache des Erdmagnetfelds beträgtenorme Energiemenge, wie sie supraleitende Spulen liefern können.
Die Zukunft der Supraleitung
Es gibt eine Menge, die wir über supraleitende Materialien nicht wissen, und wir entwickeln jeden Tag neue Anwendungen für Supraleiter.
Die Hoffnung besteht darin, eines Tages Supraleitung in Kraftübertragungen zu verwenden, was die Energiekosten auf der ganzen Welt drastisch senken würde. Mag-Lev-Züge, die Supraleitung verwenden, um einen Zugwagen über der Schiene zu schweben, wodurch Reibung beseitigt wird, die einen Zug verlangsamen könntekann die Zukunft des Transports sein.
Wer weiß? Vielleicht haben wir eines Tages eine Elektronik, die Supraleiter verwendet, um uns Smartphones zu geben, die nur einmal im Monat oder öfter aufgeladen werden müssen.
Es ist jedermanns Vermutung, aber mit den schnellen Fortschritten in unserer Technologie werden wir die Supraleitung in unserem Leben wahrscheinlich eher früher als später als reguläres Merkmal sehen.