Μετά από 15 χρόνια οι υπεραγωγοί θερμαίνονται

Από την ιστοσελίδα της Boston Globe, 17 Δεκεμβρίου 2002

"Υπεραγωγοί! Η εκπληκτική ανακάλυψη που θα μπορούσε να αλλάξει τον κόσμο μας",  έγραφε στην πρώτη του σελίδα το Time, το Μάρτιο του 1987. Ήταν η εποχή που συνεδρίαζε η Αμερικανική Εταιρεία Φυσικής, κατά τη διάρκεια της οποίας  χιλιάδες φυσικοί έμαθαν τα εκπληκτικά νέα. Την νέα ανακάλυψη των υπεραγωγών σε υψηλή θερμοκρασία. Οι επιστήμονες ονομάζουν ακόμη τη συνάντηση αυτή "Woodstock της φυσικής".

Ο Τύπος αναφερόταν συνεχώς στις εφαρμογές των υπεραγωγών, από τα αιωρούμενα μαγνητικά τραίνα maglev έως την φτηνή ηλεκτρική ενέργεια. Τότε θα μπορούσε κάποιος να προσελκύσει το ενδιαφέρον όλων δείχνοντας την περίφημη εικόνα του μαγνητικού μετεωρισμού. Φυσικά οι επιδείξεις των επιστημόνων έφερναν χρηματικές υποστηρίξεις και από την Αμερικανική κυβέρνηση και από τη βιομηχανία. Υπολογίζεται ότι από το 1988, το Αμρερικανικό Τμήμα Ενέργειας έχει επενδύσει περίπου 200 εκατομμύρια δολάρια, στην έρευνα για τους υπεραγωγούς, και η βιομηχανία τουλάχιστον άλλα τόσα.

Την εποχή εκείνη, όπως σήμερα με τα γονίδια, ο τύπος αναφερόταν τακτικά στις έρευνες για τους υπεραγωγούς. Σιγά-σιγά όμως άρχισαν να αναρωτιούνται: "Που είναι τα τραίνα maglev;" και όταν είδαν ότι δεν υπήρχε άμεση εφαρμογή σταμάτησαν να αναφέρονται στους υπεραγωγούς, εκτός βέβαια του επιστημονικού τύπου.

Μετά από 15 έτη, ο κόσμος όμως έχει αλλάξει δραστικά, αλλά οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας δεν έχουν διαδραματίσει κανένα ρόλο σε αυτές τις αλλαγές. Τι συνέβη όμως από τότε; Οι άνθρωποι ξεχνούν όμως ότι τα προηγμένα υλικά παίρνουν χρόνο για να εμφανιστούν στην αγορά. Για παράδειγμα τα τρανζίστορ και οι οπτικές ίνες. Μεσολάβησαν τουλάχιστον 15 έτη από την ανακάλυψη τους έως την εμπορική τους εφαρμογή.

Τον περασμένο μήνα, 15 χρόνια μετά την πρώτη του εμφάνιση άρχισε την πρώτη στον κόσμο, μεγάλης κλίμακας, γραμμή παραγωγής στην εταιρεία Αμερικανικός Υπεραγωγός στο Κέντρο Εμπορίου Devens στην Ayer.

Στην πράξη, η υψηλή θερμοκρασία είναι ένας σχετικός όρος, που αναφέρεται στη περιοχή που ένα αέριο γίνεται ένα υγρό. Οι περισσότερες συσκευές υπεραγωγών ψύχονται από το υγρό άζωτο σε μείον- 212 βαθμούς Κελσίου, η οποία θεωρείται από τους περισσότερους ανθρώπους πράγματι πολύ χαμηλή. Η ονομασία υψηλή θερμοκρασία προέρχεται από τη σύγκριση της με τους υπεραγωγούς χαμηλής θερμοκρασίας, οι οποίοι ψύχονται σε μείον - 260 βαθμούς Κελσίου με τη βοήθεια του υγρού ηλίου.

Θεωρητικά η υπεραγωγιμότητα, που ανακαλύφτηκε το 1911, είναι ένα παράξενο φαινόμενο. Σε έναν κανονικό αγωγό, όπως το καλώδιο του χαλκού το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ένα ρεύμα ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με τα άτομα στο καλώδιο, προκαλώντας αντίσταση στη ροή των ηλεκτρονίων. Όταν η ηλεκτρική πηγή αφαιρεθεί, τα ηλεκτρόνια σταματούν να κινούνται.

Σε έναν υπεραγωγό, δεν υπάρχει καμία αντίσταση στα κινούμενα ηλεκτρόνια. Εάν αφαιρέσουμε την πηγή σε ένα δαχτυλίδι υπεραγωγικού καλωδίου, για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια συνεχίζουν να κινούνται γύρω από το δαχτυλίδι. Η πιο κοινή χρήση των υπεραγωγών χαμηλής θερμοκρασίας γίνεται σήμερα στην υψηλής ευκρίνειας πυρηνική μαγνητική τομογραφία ή όπως λέγεται συντομευμένα MRI. Αυτές είναι μηχανές που τις χρησιμοποιούν στα νοσοκομεία για να εντοπίσουν κάποιες αρρώστιες. Ένα ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο κι ένας υπεραγωγικός μαγνήτης MRI είναι ένας δαχτύλιος του υπεραγωγικού καλωδίου με ένα ρεύμα να ρέει μέσα του. Αφότου "αποσυνδεθεί" ο μαγνήτης, το μαγνητικό πεδίο συνεχίζει να υπάρχει εφ' όσον ο μαγνήτης διατηρείται ψυχρός.

Δυστυχώς, το υγρό ήλιο είναι ακριβό, και για αυτό υπάρχει ενδιαφέρον για τους υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγούς. Είναι φτηνότεροι στη λειτουργία τους δεδομένου ότι ένα λίτρο του υγρού αζώτου κοστίζει λιγότερο από ένα λίτρο της μπύρας. Έτσι, μετά από 15 έτη και έξοδα εκατοντάδες εκατομμυρίων δολαρίων ο κόσμος αναρωτιέται, πού είναι οι καινοτομίες;

Το σημαντικό εμπόδιο της εταιρείας Αμερικανικός Υπεραγωγός και άλλων κατασκευαστών του υψηλής θερμοκρασίας  υπεραγωγικού καλωδίου είναι ένα καλώδιο. Ενώ οι χαμηλής θερμοκρασίας υπεραγωγοί είναι μέταλλα που μπορούν να δημιουργήσουν καλώδια σαν όλκιμα που είναι, οι υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγοί είναι κεραμικά υλικά. Τα κεραμικά είναι υλικά, όπως η πορσελάνη ή τα οικοδομικά τούβλα. Τα κεραμικά υλικά δεν κάνουν καλά καλώδια.

Η μια λύση στο πρόβλημα, που χρησιμοποιείται στις εγκαταστάσεις του Devens, είναι να τοποθετηθεί η κεραμική σκόνη σε έναν ασημένιο σωλήνα, μακρύ και κοίλο γεμισμένο όμως με την κεραμική σκόνη, σαν καλώδιο. Δωδεκάδες από αυτά τα καλώδια κάνουν μια δέσμη τότε μέσα σε έναν άλλο σωλήνα. Όταν αυτό το καλώδιο θερμανθεί η σκόνη που περιέχουν γίνεται ένας υπεραγωγός. Το αποτέλεσμα είναι ένα μακρύ καλώδιο γεμάτο με υπεραγωγικό υλικό - το υπεραγωγικό καλώδιο. Το καλώδιο ισιώνεται και περιβάλλεται από ανοξείδωτο χάλυβα, κάνοντας μια υπεραγωγική ταινία. Τέσσερις από αυτές τις ταινίες, όταν ψύχονται με το υγρό άζωτο, μπορούν να μεταφέρουν τόσο ηλεκτρικό ρεύμα όσο κι ένα καλώδιο χαλκού διαμέτρου αρκετών ιντσών.

Οι πιθανοί πελάτες, του υπεραγωγικού καλωδίου, αρχίζουν να βλέπουν τώρα κάποια οφέλη από τη χρήση τους. Μια πιθανή  εφαρμογή προέρχεται από το Αμερικανικό Ναυτικό. Η επόμενη παραγωγή των σκαφών του ναυτικού θα ενσωματώσει  ηλεκτρικούς κινητήρες για να κινήσουν τις προπέλες. Τα ηλεκτρικά σκάφη είναι ευκολότερα να ελιχτούν, με μεγαλύτερη ικανότητα καύσιμου, και πιο ήρεμοι. Ένας υπεραγωγικός ηλεκτρικός κινητήρας θα μπορούσε να προσθέσει σημαντικά πλεονεκτήματα σε αυτόν, για παράδειγμα να έχει μέγεθος περίπου το ένα τέταρτο ενός κανονικού ηλεκτρικού κινητήρα της ίδιας ισχύος. Σε ένα σκάφος, αυτός ο χώρος είναι ασφαλώς μεγάλη ωφέλεια.

Οι υπεραγωγικοί κινητήρες είναι επίσης αποδοτικότεροι όταν τρέχει το σκάφος με κάτι λιγότερο από την πλήρη του ταχύτητα. Το Ναυτικό σύντομα θα εξετάσει έναν μικρής κλίμακας κινητήρα, που θα φτιαχτεί από την εταιρεία Αμερικανικός Υπεραγωγός και διάφορους άλλους βιομηχανικούς συνεργάτες.

Άλλες πιθανές εφαρμογές είναι οι μεγάλες γεννήτριες στις εγκαταστάσεις της παραγβγής του ηλεκτρισμού, τα ηλεκτρικά καλώδια, ισχυρότερα όργανα MRI, και ίσως ακόμα και τραίνα μαγνητικής αιώρησης.

Ίσως όμως η επόμενη σημαντική ανακάλυψη για υπεραγωγικό υλικό θα έρθει, λένε οι φυσικοί, από μια απροσδόκητη πηγή πχ από οργανικές ή βιολογικές ενώσεις.