Supercondutividade em alta temperatura

Inicialmente, os supercondutores tinham uma aplicação muito limitada, pois a temperatura de operação não deveria exceder 20K (-253 ° C). Por exemplo, a temperatura do hélio líquido a 4,2 K (-268,8 ° C) é adequada para o supercondutor funcionar, mas é necessária muita energia para esfriar e manter uma temperatura tão baixa, o que é tecnicamente muito problemático.

Os supercondutores de alta temperatura descobertos em 1986 por Karl Müller e Georg Bednorets mostraram uma temperatura crítica muito mais alta, e a temperatura do nitrogênio líquido a 75K (-198 ° C) é suficiente para que esses condutores funcionem. Além disso, o nitrogênio é muito mais barato que o hélio como refrigerante.

A descoberta em 1987 de um "salto na condutividade para quase zero" a uma temperatura de 36K (-237 ° C) para compostos de lantânio, estrôncio, cobre e oxigênio (La - Sr - Cu - O) foi o começo. Então, pela primeira vez, a propriedade dos compostos de ítrio, bário, cobre e oxigênio (Y-Ba-Cu-O) para exibir propriedades supercondutoras foi descoberta a uma temperatura de 77,4 K (-195,6 ° C) acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido.

Em 2003, foi descoberto o composto cerâmico Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), que possui uma temperatura crítica de 138 K (-135 ° C) e atinge 166 K (-107 ° C) a uma pressão de 400 kbar; e em 2015, um novo recorde foi estabelecido para o sulfeto de hidrogênio (H2S), que se tornou um supercondutor a uma pressão de 100 GPa, a uma temperatura não superior a 203K (-70 ° C).

A supercondutividade como um fenômeno físico, primeiro no nível microscópico, foi explicada no trabalho dos físicos americanos John Bardin, Leon Cooper e John Shriffer em 1957. Sua teoria foi baseada no conceito dos chamados pares de elétrons de Cooper, e a própria teoria foi chamada de teoria BCS, de acordo com as primeiras letras dos nomes de seus autores, e até hoje essa teoria macroscópica dos supercondutores é dominante.

De acordo com essa teoria, os estados de elétrons dos pares de Cooper se correlacionam com rotações e momentos opostos. Ao mesmo tempo, a teoria utilizou as chamadas transformações de Nikolai Bogolyubov, que mostraram que a supercondutividade pode ser considerada como um processo de superfluidez de um gás de elétron.

Perto da superfície de Fermi, os elétrons podem ser efetivamente atraídos interagindo uns com os outros por meio de fônons, e apenas esses elétrons são atraídos cuja energia difere da energia do elétron na superfície de Fermi em não mais que hVd (aqui Vd é a frequência de Debye) e o restante dos elétrons não interage.

Interação de elétrons e combinados em pares de Cooper. Esses pares possuem algumas propriedades características dos bósons, e os bósons podem passar para um único estado quântico após o resfriamento. Assim, devido a esse recurso, os pares podem se mover sem colidir com a rede ou com outros elétrons, ou seja, os pares de Cooper se movem sem perda de energia.

Na prática, os supercondutores de alta temperatura fornecem transmissão de energia sem perdas, o que torna sua introdução e uso no futuro úteis e eficientes. Cabos de energia, transformadores, máquinas elétricas, armazenamento de energia indutiva com prazo de validade ilimitado, limitadores de corrente etc. - os supercondutores de alta temperatura são aplicáveis ​​em qualquer lugar da engenharia elétrica.

As dimensões serão reduzidas, as perdas serão reduzidas, a eficiência da produção, transmissão e distribuição de energia elétrica como um todo aumentará. Transformadores terá menos peso e perdas muito baixas, em comparação com transformadores com enrolamentos convencionais. Os transformadores supercondutores serão ecologicamente corretos, não precisarão ser resfriados e, em caso de sobrecarga, a corrente será limitada.

Limitadores de corrente supercondutores são menos inerciais. Quando você liga dispositivos de armazenamento de energia e geradores supercondutores em redes elétricas, sua estabilidade aumenta. O fornecimento de energia das megacidades será realizado por meio de cabos subterrâneos supercondutores que podem conduzir até 5 vezes mais corrente, e a colocação de tais cabos economizará significativamente as áreas urbanas, uma vez que os cabos serão mais compactos em comparação aos usados ​​atualmente.

Os cálculos mostram que, por exemplo, a construção de uma linha de energia para 1 GW a uma voltagem de 154 kV, se cabos supercondutores forem usados, custará 38% mais barato do que se fosse implementado usando a tecnologia padrão. E isso leva em consideração o design e a instalação, porque o número de roscas necessárias é menor, respectivamente, o número total de cabos é menor e o diâmetro interno dos conduítes também é menor.

Vale ressaltar que uma potência significativa pode ser transmitida através de um cabo supercondutor, mesmo em baixa tensão, reduzindo poluição eletromagnética, e isso é verdade para áreas densamente povoadas, onde a colocação de linhas de alta tensão causa preocupação, tanto entre os ecologistas quanto com o público.

A introdução de supercondutores de alta temperatura no campo da energia alternativa também é promissora, onde a lucratividade não é de forma alguma um fator secundário, e o uso de supercondutores aqui aumentará a eficiência de novas fontes. Além disso, nos próximos 20 anos, há uma tendência constante para seu rápido desenvolvimento no mundo.