Supravodivost - princip a využití

Již více než sto let lidstvo zkoumá jev zvaný supravodivost. Pod pojmem supravodivost se rozumí stav materiálu, při němž klade nulový odpor procházejícímu elektrickému proudu a zároveň ze svého objemu vytěsňuje magnetické pole. Teoretických aplikací této technologie existuje mnoho od elektrických vedení, přes možnost ukládání energie až po nové výrazně rychlejší způsoby dopravy a využití supravodivosti v silných magnetech. Jedná se o pouhou sci-fi technologii budoucnosti nebo je již možné ji běžně využít v praxi?

Objevem supravodivosti se do historie fyziky zapsal v roce 1911 nizozemský fyzik Heike Kamerlingh-Onnes, který zkoumal možnosti dosahování extrémně nízkých teplot a chování látek při teplotách několik stupňů nad absolutní nulou. Onnes ze svého experimentu s čistou rtutí zjistil, že poklesne-li ji její teplota pod tzv. kritickou teplotu (pro rtuť 4,2 K), skokově klesne její odpor stejnosměrnému proudu na neměřitelnou hodnotu.

S vysvětlením supravodivosti přišlo až v roce 1957 trio vědců Bardeen, Cooper a Schrieffer. Zveřejnili teorií objasňující princip supravodivosti a podle počátečních písmen jejich jmen je pojmenována BCS.

Podle BCS teorie se při dosažení kritické teploty dokáží elektrony párovat – vytvoří Cooperovy páry –  a obsazují pouze jeden kvantový stav. Jsou tak schopny se látkou pohybovat bez odporu a vypuzovat vnější magnetické pole. Supravodivost fungující na tomto principu se nazývána konvenční supravodivost.

Teorie BCS ovšem nedokáže vysvětlit jev vysokoteplotní supravodivosti, která probíhá za teplot o 70 Kelvinů vyšší, tedy za teploty dnes běžně dostupného kapalného dusíku. Vysokoteplotní supravodivost je tak dodnes neobjasněným fenoménem, který ale otevřel dveře k širokým možnostem aplikací.

Několik vědeckých pracovišť ve světě dokázalo vytvořit i materiály supravodivé za pokojové teploty, bohužel supravodivost byla jen krátkodobým nestabilním jevem, který byl narušen i velice slabým působením magnetického pole. Vytvořit stabilní supravodič za pokojové teploty se zatím nepodařilo.

Supravodivé materiály

Konvenční supravodiče, nebo také supravodiče prvního typu jsou např. olovo, cín, indium, rtuť. Zajímavý je fakt, že kovy, které jsou za normálních podmínek nejlépe vodivé tedy měď, stříbro a zlato mezi supravodivé prvky nepatří.

Vysokoteplotní supravodiče nazývané také supravodiče druhého typu jsou sloučeniny kovů, slitiny a některé keramiky.

Významnou roli hraje v supravodivých směsích oxid mědi, další nezbytnou součástí je dvojmocný kov, nejčastěji baryum a trojmocné kovy například ytrium, či některé lantanoidy. Příkladem takovýchto materiálů jsou LBCO, YBCO nebo 1-2-3 sloučeniny. Hlavním znakem takovýchto sloučenin jsou rovinné vrstvy oxidu mědi.

Možnosti využití supravodičů

Supravodivé magnety

Jednou z aplikací supravodivosti je využití supravodičů ve vinutích magnetických systémů. Výhodou supravodivých magnetů je mnohonásobně menší spotřeba energie na vytvoření magnetického pole ve srovnání s konvenčními technologiemi. Supravodivé magnety totiž spotřebovávají energii především na chlazení. Tyto magnety se využívají při řadě fyzikálních experimentů, nejznámější je jejich využití v částicovém urychlovači v CERNu.

Supravodivé magnety jsou také využívány v dopravních systémech Maglev. Vlaky Maglev jsou magneticky nadnášeny a pohybují se zcela bez kontaktu s podkladem, tedy bez tření a jedinou překážkou v pohybu je jim odpor vzduchu. Takovéto systémy mohou dosahovat rychlosti až 600 km/h.

Levitace

Supravodivá levitace funguje na principu elektromagnetické indukce a nulového měrného odporu supravodiče, tedy potlačení tepelných ztrát v supravodiči. Na povrchu supravodiče jsou indukované stínící proudy, které nejsou ničím tlumeny. Vnější magnetické pole je uvnitř supravodiče dokonale odstíněno a dochází k jeho deformaci.
Když supravodivý materiál ochladíme pod kritickou teplotu, nedojde ke změně magnetického pole v oblasti supravodiče. Stínící proudy na jeho povrchu se nevybudí a magnetické pole zamrzne ve stavu, jaký byl před ochlazením. Pokud se následně jakkoliv změní vnější magnetické pole, vybudí se na povrchu supravodiče stínící proudy, které budou kompenzovat danou změnu.

Tento princip lze využít ke konstrukci ložisek. Takovéto ložisko umístěné ve vakuu bude fungovat zcela bez mechanického tření, čehož se využívá v kosmických aplikacích, kde zároveň opadá i nutnost dodatečného chlazení vzhledem k teplotám blízkým absolutní nule.

Skladování energie

Další praktické využití nachází supravodivost v oblasti skladování energie. Jedná se o technologii Superconducting magnetic energy storage (SMES). Systém SMES dokáže skladovat energii v magnetickém poli, jenž se vytvořilo průtokem stejnosměrného proudu supravodivou cívkou. Supravodivost cívky je zajišťována kryogenní jednotkou, která se stará o chlazení, další částí systému jsou stabilizátor napětí a řídicí jednotka. Po nabití cívky dojde k vytvoření magnetického pole, jehož energie může být v cívce uchována neomezeně dlouho (za stálého chlazení). V případě nedostatku výkonu v síti je možné tuto energii do sítě okamžitě uvolnit. Součástí stabilizátoru napětí je usměrňovač a střídač, které způsobují ztráty energie 2-3 % při každém průchodu proudu. Jedná se tedy o nejefektivnější možnost jak ukládat energii. Účinnost SMES přesahuje 95 %.

V roce 2010 se uskutečnil projekt v oblasti praktického využití technologie SMES pod záštitou americké vlády. Společnost ABB ve spolupráci s předním výrobcem supravodičů společností SuperPower a Univerzitou Houston vyrobila prototyp zařízení o s kapacitou 3,3 kWh. Cílem tohoto projektu bylo prokázat zda je možné vyvinout zařízení s kapacitou 1 MWh, které by bylo konkurence schopné s dnešními bateriovými akumulátory.

V neposlední řadě lze také supravodivost využít pro vedení elektřiny v elektrizačních soustavách. Společnost Tennet plánuje uvedení do provozu supravodivého kabelu, na bázi vysokoteplotní supravodivosti v délce dvou až čtyř kilometrů.

V německém Essenu byl v loňském roce spuštěn prozatím nejdelší supravodivý kabel na světě o délce přesahující jeden kilometr. Jedná se o linku na napěťové hladině 10 kV. Za projektem stojí společnost RWE, na jejímž distribučním území se kabel nachází. Hlavním účelem tohoto projektu je snížit ztráty a náklady na údržbu i úspora prostoru, kterého je ve vnitřních oblastech měst nedostatek. Náklady na tento projekt byly 13,5 milionů euro, ze kterých 6 milionů byla státní dotace.

Reference:

ŠTENCEL, Martin.  SUPRAVODIVOST U TRANSFORMÁTORŮ. Praha, 2014. Dostupné také z: https://dspace.cvut.cz/bitstream/handle/10467/24129/F3-BP-2014-Stencel-Martin-prace.pdf?sequence=3. Bakalářská práce. ČVUT.

KULHÁNEK, Petr. Vysokoteplotní supravodivost. Bulletin 36/2004. Dostupné také z: http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_36_hts.html

Zdroj úvodní fotografie: http://www.extremetech.com/