O supravodivosti po 100 letech

Výjimečná vlastnost vodičů, které se obejdou bez ztráty při přenosu energie a mohou se stát zdrojem mimořádně intenzivního magnetického pole, otevírá vědě i technice převratné možnosti. Nejnověji se obejdou i bez drahé kryogeniky, která před 100 lety umožnila její objev. CESTOU K ABSOLUTNI NULE Objev supravodivosti se právem připisuje nizozemskému fyzikovi Heike Kammerlinghovi Onnesovi (1853- 1926). Roku 1908 se mu v Leydenské laboratoři podařilo do nekonečna opakovaným cyklem stlačení-ochlazení-expanze zkapalnit poslední do té doby odolávající plyn hélium při teplotě „absolutní nuly“. Stejně jako mnoho jiných vědců zkoumal s asistentem Gillesem Holstem zajímavý jev, že čím víc se ochladí nejrůznější vodiče elektřiny, tím výrazněji klesá jejich elektrický odpor. Když údajně 8. dubna 1911 přišla na řadu mimořádně čistá rtuť, kterou ochladili zkapalnělým héliem na teplotu blížící se k absolutní nule (-273,15 °C), zjistili neuvěřitelné: odpor smyčky klesl na nulu! Když do rtuťové smyčky ponořené v Dewarově nádobě do kapalného hélia naindukovali elektrický proud, vydržel v ní cirkulovat řadu dní. A to i když demonstrační nádobu s chladicím zařízením převezli na demonstrační přednášku do Leidenu. „Supravodivost“ byla na světě, a Onnes, jako šéf laboratoře (a Holst se prý necítil ukřivděn), obdržel za tento objev Nobelovu cenu roku 1913. Jednoduché představy supravodivosti vzaly za své když se ve 30. letech při pokusech v několika laboratořích světa ukázalo, že se udrží jen díky diamagnetismu, kdy povrch vzorku přejde do supravodivého stavu dřív než jeho jádro a uzavřené magnetické pole z něj nemůže utéci. Objasnit princip supravodivosti se podařilo až kvantovou teorií v roce 1957 americkým fyzikům Johnu Bardeenovi, Leonu Cooperovi a Johnu Schiefferovi pomocí tzv. párování elektronů (tzv. Cooperovy páry), vázaného na interakce v krystalové mřížce vodičů a polovodičů. Nobelovu cenu za fyziku si odnesli roku 1972, vlastní jev však stále zůstával jen v laboratořích. V následujících 40 letech byla ještě objevena supravodivost tzv. II. typu i v různých organických sloučeninách a oxidech, a experimentátoři postupně objevovali materiály, ve kterých se supravodivost dala vyvolat i při teplotách v okolí varu vodíku (-253 °C). ŠANCE ROSTLY S TEPLOTOU Začátkem roku 1986 badatelé Výzkumné laboratoře v Curychu, Georg Bednorz a Alex Müller, vedeni kvantovými úvahami, objevili materiál, který prokázal supravodivost už při -238 °C. Revolučnost objevu spočívala nejen v dostupnější teplotě, ale i v tom, že šlo nikoliv o kovový, ale keramický materiál (sloučeninu La-Ba-Cu-O), projevující se normálně jako izolant! O rok později je překonal tým Wu-Maw Kuena a Paula Chu z Alabamské univerzity materiálem, vykazujícím nulový odpor již při –180 °C . Této teploty už lze dosáhnout pomocí levného a běžně dostupného kapalného dusíku s teplotou varu -196 °C, který se dá přenášet v kryogenické termosce. O takové „vysokoteplotní supravodiče“ vzrostl nečekaný zájem průmyslu i energetiky. Bednorz a Müleer si odnesli další Nobelovu cenu a do výzkumu se zapojily elektronické giganty IBM, Hitachi, Siemens, Toshiba aj. Prvá léta stála ve znamení vysokoteplotních supravodivých keramik na bázi tzv. 1-2-3 sloučenin (např. Y1Ba2Cu307), u kterých se dařilo extrémně odhalit supravodivost i při teplotách až nad 300 K (oblast desítek stupňů Celsia). Byly však nepoužitelné k výrobě vodičů pro svoji křehkost, a proto, že nesnášely proudové hustoty jaké vyžaduje energetika. SUPRAVODIVOST PŘI POKOJOVE TEPLOTĚ? Každým rokem od přelomu do 20. století se objevují nové teorie zejména kolem objasnění supravodivosti II. typu (nejrůznější slitiny kovů a kompozitů, v nichž nechybí měď a nekovové složky), v jejichž vzorcích funguje supravodivost i při velmi silných magnetických polích a vyšších proudech, jaké vyžaduje současná praxe elektrotechniky. Další Nobelovu cenu, právě za tyto objevy a teorii, získal roku 2003 A. A. Abrikosov. Část vědců stále ještě hledá materiály, které by dosáhly supravodivosti i za běžných (pokojových) teplot, bez potřeby složité kryogeniky. Jedním z nich má být slitina beta-YbAlB4 popsaná v prvním čísle časopisu Science z letošního roku. Technologie výroby se začala ubírat dvojí cestou: válcováním polykrystalických materiálů ve stříbrné matrici nebo nanášením tenkých monokrystalických vrstev supravodičů na ohebné podložky ve formě až 1 km dlouhých pásků. PRŮLOM DO ELEKTROTECHNIKY I SLABOPROUDU Supravodivost (nízkoteplotní i vysokoteplotní) slibuje převrat především v elektroenergetice a dopravě. Supravodivé vinutí v generátorech elektrického proudu, v elektrických motorech a transformátorech zvýší jejich účinnost a celosvětově sníží ztráty v rozvodu a přeměnách elektrické energie na užitečnou práci. Letos se už zkouší i první experimentální „domácí“ rozvody (Pirelli Wire) na bázi vysokoteplotních vodičů. Připravované inteligentní elektroenergetické sítě (Smart Grids) počítají s uplatněním supravodivých akumulátorů SMES, schopných vyrovnávat spotřebu rozkolísanou nečekaným nárůstem obnovitelných zdrojů, i nečekané výpadky dodávky elektřiny. Se supravodivou levitací využívající odstínění magnetického pole počítá nová generace magneticky nadnášených a lineárními elektromotory poháněných japonských maglevů. Supravodivé cívky a magnety se uplatňují v nejvýkonnějších urychlovačích částic a s jejich pomocí se snaží jaderná technika nastartovat a udržet řízenou termojadernou reakci. Počítá s ní i jakákoliv budoucí kosmická technika, u které odpadnou problémy s chlazením, které je v kosmu zdarma k dispozici. Široce jí už využívá i věda. Nobelovu cenu za tzv. slabou supravodivost získal roku 1973 Brian David Josephson, a skvídy (Superconducting Quantum Interference Device), které se z jeho objevu zrodily, spolu s magnetickou rezonancí umožňují mimo jiné nejcitlivější měření magnetických toků v mozku. A rychlé supravodivé přechody v polovodičích otevřou zřejmě již brzo cestu k superrychlým počítačům na zcela nových principech. Přesto jak se zdá z někdy zkreslených a přehnaně nadšených novinářských článků, ani supravodivost není fenoménem, který vyřeší všechny problémy moderní techniky. DRAŽĎANSKY SUPRATRANS A JAPONSKE MAGLEVY Do praxe dotažené německé maglevy Transrapid, které se po létech pokusů poprvé uplatnily ke spojení Šanghaje s letištěm Pudong, kde na krátké trati v magnetickém závěsu dosahují rychlost až 430 km/h, nemají se supravodivostí nic společného. Supravodivými magnety dosahuje levitace zatím jen několik experimentálních maglevů na japonské zkušební trati u Yamanaši, využívající tzv. elektrodynamické levitace EDS. Ta je založena na odpuzování pohybujících se cívek nad vodivými pásy, v nichž indukují vířivé proudy. K tomu ale dojde při relativní rychlosti nad 80 km/h, na kterou se vozidlo poháněné asynchronním lineárním elektromotorem musí rozjet pomocnými pneumatikovými podvozky. Teprve potom vzájemně reagující budící a v traťových cívkách indukovaná magnetická pole vedou jednotku ve „vzdušném“ letu. Ačkoliv aerodynamická jednotka MLX- 01 na zkušebně Yamanaši dosáhla rekordu 581 km/h již před 8 lety, prestižní projekt superexpresní maglevové trati Chuo-Shinkanzen z Tokia do Ósaky uvázl ve finanční krizi. Prosadit supravodivé maglevy SuperTrans do dálkové i městské dopravy se již léta pokouší i skupina německých vědců z Leibnitzova institutu v Drážďanech a jihokorejská společnost Rotem. SUPRAVODIVE GENERATORY, MOTORY I LOŽISKA Experimenty s motory a generátory s vysokoteplotním supravodivým vinutím zdárně pokračují, stejně jako s téměř bezztrátovým přenosem elektrického proudu po supravodivých kabelech. Řadě průmyslových podniků i důležitým počítačovým sítím a serverům slouží supravodivé akumulátory UPS (Uninterruptible Power Supplies), se supravodivou cívkou v kapalném héliu či dusíku, nabíjenou přes usměrňovač. Proud v ní cirkuluje s minimální ztrátou 0,3 kWh za 24 h. Na pokles napětí sítě zareagují během 0,2 mikrosekundy tím, že proud z cívky indukcí převedou přes kondenzátor do invertoru, schopného po překlenovací dobu dodávat tovární síti výkon kolem l MW. Větší supravodivé akumulátory SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) obstály při experimentech při milionech cyklů nabití/ vybití s účinností lepší než 95 %. Podle zveřejněných projektů by smyčky v podobě prstenců uložených v podzemí mohly v budoucnu kapacitou až 4000 MW nahradit i největší přečerpávací elektrárny s účinností blížící se 99 % ! Siemens se nejnověji v rámci vyhlášené „elektromobility” ve spolupráci s firmou EAS (European Advanced Superconductors) v Hanau orientuje na vývoj supravodivých generátorů a elektromotorů, které by otevřely éru čistější a hospodárnější námořní dopravy. Na veletrhu v Hannoveru 2011 předvedli agregáty s výkonem až 4 MVA. V dusíkem nebo i kapalným neonem chlazeném supravodivém vinutí rotorů dosahují až stonásobné hustoty proudu a tím i magnetického pole ve srovnání s tradičním měděným, ale mnohem objemnějším, vinutím. Tím zlepšili jejich účinnost na 98,7 %. Jan Tůma Foto: archiv autora a Siemens