ما هي الموصلات الفائقة ومتى سنحصل جميعًا على قطارات مغناطيسية وطاقة كهربائية غير محدودة؟

تعتبر الموصلية الفائقة أحد تلك المفاهيم - مثل دوران الإلكترون أو تمدد الوقت - التي تبدو مقصورة على فئة معينة ، ولكنها ، إذا تم إتقانها من خلال التكنولوجيا ، يمكن أن تحدث ثورة حقيقية في العالم. إنه مفهوم نستخدمه بالفعل بكثافة اليوم ، في تطبيقات مختلفة ، ولكن القدرة على إنشائه في بيئات غير مضيافة يمكن أن تكون المفتاح لجلب العديد من أحلام الخيال العلمي إلى الحياة.

ما هي الموصلية الفائقة؟ ببساطة ، الموصلية الفائقة هي خاصية وجود صفر (ليس تقريبًا صفر ، وليس قريبًا تمامًا من الصفر ، ولكنصفر) مقاومة حركة الإلكترونات. إنها أكثر من مجردحقا منخفضة حقامقاومة، لأنه من أجل الحصول على موصلية فائقة حقيقية في سلك ، على سبيل المثال ، يجب أن يكون أحد طرفي هذا السلك قادرًا على تلقي 100٪ من الطاقة الموضوعة في الطرف الآخر. هذا يعني أنه إذا قمنا بضخ بعض الكهرباء في حلقة مغلقة فائقة التوصيل ، فإن هذه الحلقة ستستمر في شحنتها إلى أجل غير مسمى. ستدور الإلكترونات ببساطة وتدور وتدور ، ولا تتوقف أبدًا ، ولن تفقد أبدًا أيًا من طاقتها للمقاومة أو التداخل المغناطيسي أو حتى فقدان الحرارة.



عينة من مادة غريبة فائقة التوصيل البزموت السترونتيوم أكسيد الكالسيوم والنحاس (BSCCO-2223).

عينة من مادة غريبة فائقة التوصيل البزموت السترونتيوم أكسيد الكالسيوم والنحاس (BSCCO-2223).



ومع ذلك ، هناك مشكلة واحدة كبيرة في التجربة الفكرية ذات الحلقة المغلقة: فهي تشير إلى أن الموصلية الفائقة هي حالة يمكن للمادة فيها ببساطةيكون. ومع ذلك ، يجب أن تبقى جميع الموصلات الفائقة المعروفة حاليًا في تلك الحالة من خلال مدخلات الطاقة ؛ علينا أن نبقيهم أقل من درجة حرارة حرجة معينة ، وغالبًا ما نكمل ذلك عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي لضرب أي القليل من القوى الداخلية المتبقية. عتبات درجة الحرارة منخفضة بشكل لا يصدق ، وبالتالي فهي مكلفة للغاية للحفاظ عليها. الألومنيوم ، على سبيل المثال ، لديه عتبة درجة حرارة فائقة التوصيل تبلغ 1.2 كلفن ، أو -271.95 درجة مئوية.

تكون الفيزياء المعنية إما بسيطة جدًا أو معقدة جدًا ، اعتمادًا على المادة. في المعادن النقية أو السبائك المعدنية البسيطة ، تحدث الموصلية الفائقة بشكل أساسي عندما يتم تبريد (إبطاء) ذرات تلك المادة إلى درجة أن الإلكترونات لا تتشتت أثناء محاولتها التحرك عبر شبكة ذرات المعدن. هذا رائع ، لكن إيقاف الحركة الذرية (الحرارة) صعب للغاية ، كما ذكرنا. المواد الأكثر تعقيدًا ، والتي يمكن أن يحقق بعضها الموصلية الفائقة فوق درجات الحرارة المبردة ، تقع بالتأكيد ضمن عالم الغرابة الكمية ، ولها علاقة بالتفاعلات العابرة بين أزواج الإلكترونات.



هذا يعني أن حلقة الطاقة اللانهائية الخاصة بنا يمكن أن توجد فقط طالما أننا ننفق طاقة كبيرة للحفاظ على الحلقة في حالة فائقة التوصيل ، وهذا النوع من هزيمة نقطة تخزين الطاقة غير المفقودة ، أليس كذلك الآن؟

العالم

أول كابل فائق التوصيل في العالم. حتى علم حافة النزيف لا يمكن أن يبدو متقدمًا بشكل خاص في موقع البناء.

التطبيقات الحالية للموصلات الفائقة كلها مقيدة بمتطلبات درجة الحرارة الخاصة بها. تعد أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي باهظة الثمن بشكل لا يصدق ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنها تتطلب مواد غريبة مثل الهليوم السائل لتبريد الملفات المعدنية لدرجة أنها تستطيع توصيل ما يكفي من الكهرباء لتكوين قوى المجال المغناطيسي المطلوبة لإعادة توجيه جزيئات الجسم البشري. جاء جزء كبير من التكلفة الصادمة لمصادم الهادرونات الكبير من نفس المصدر. حتى البحث في قوة الاندماج يتم إبطائه بسبب التكلفة التي لا تصدق تقريبًا وصعوبة إنشاء منصات توكاماك مغناطيسية ضخمة لحصر البلازما.



هذا هو السبب في أن الكأس المقدسة لدينا ليست الموصلية الفائقة ، والتي تم تحقيقها في كل شيء من الخزف فائق التبريد إلى الماس فائق التبريد ، ولكنعملي الموصلية الفائقة. يشار إلى هذا أيضًا باسم الموصلية الفائقة عند درجة حرارة عالية أو (للطموح حقًا) الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة. تبلغ عتبة 'درجة الحرارة المرتفعة' من الناحية الفنية حوالي 30 ألفًا ، ولكن في المحادثة هذه الأيام ، يتم تقييدها عمومًا بحدود التطبيقات الواقعية. درجة الحرارة المرتفعة للموصل الفائق هي في الأساس أي درجة حرارة يمكن للعلماء إنشاؤها بتكلفة طاقة مقبولة. إذا تمكنا فجأة من تبريد مادة فائقة التوصيل إلى 29 كلفن مع القليل من المتاعب ، فإن 29 كلفن ستصبح فعليًا درجة حرارة عالية ، لأغراضنا.

ستكون قطارات Maglev هي الخيار المنطقي في كل حالة تقريبًا ، إن لم تكن باهظة الثمن.

ستكون قطارات Maglev هي الخيار المنطقي في كل حالة تقريبًا ، إن لم تكن باهظة الثمن.

اسأل نفسك: ما هي الحواجز التكنولوجية التي تحول دون تحويل أفريقيا إلى بطارية كهربائية تعمل بكامل طاقتها البشرية؟ هناك ، بشكل عام ، اثنان. أحدهما هو القدرة على جمع وتخزين جزء كبير بما يكفي من ضوء الشمس الساقط في تلك القارة الصحراوية ، والآخر هو القدرة على نقل تلك الطاقة المخزنة في جميع أنحاء العالم إلى المنازل والمكاتب والمصانع حيث تكون هناك حاجة إليها. باستخدام مادة فائقة التوصيل معقولة التكلفة وعملية بدرجة كافية ، يمكننا شحن إلكتروناتنا عبر المحيط الأطلسي. يمكننا تحويل خطوط النقل البلدية إلى قطارات سريعة الارتفاع مغناطيسيًا. يمكن أن يكون لدى المستشفيات عدد من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي أكثر مما تتطلبه ، وتقرض بعضها للاستخدام المنزلي. بشكل عام ، يمكن أن يسمح بالتطبيق واسع النطاق للتقنيات التي لم تكن ممكنة في السابق إلا على نطاق صغير ، أو في مختبرات خاصة ممولة تمويلًا جيدًا.

لم نقترب بأي مكان من تلك العتبات اليوم. يمكن أن تقوم الهياكل البلورية المختلفة بهذا العمل (أعمال الماس ، كما ذكرنا) ، ولكن ما وجده العلماء هو أنها يمكن أن تحقق نفس النتائج في المواد المختلطة المعقدة - على الرغم من أن فيزياء السبب الدقيق وراء ذلك غير واضحة حاليًا. إن أفضل الموصلات الفائقة التي تم إنشاؤها على الإطلاق هي النحاسيات ، أو المواد المحتوية على أيون كوبر ، لكن أكثرها تقدمًا لا يزال يتطلب التبريد حتى درجة 140 درجة مئوية ، كما أن إنتاجها صعب ومكلف للغاية.

رسم تخطيطي للأعمال الداخلية للكابل فائق التوصيل في إيسن ، ألمانيا.

رسم تخطيطي للأعمال الداخلية للكابل فائق التوصيل في إيسن ، ألمانيا.

هذا لا يعني أنه لم تكن هناك أي نجاحات. النظر في الكفاءة الكهربائية البسيطة ، والتي تمثل خسارة ما يقرب من 6٪ الكهرباء في نقل الطاقة ، مدينة إيسن الألمانية تم تثبيته مؤخرًا كابل فائق التوصيل بطول كيلومتر لنقل طاقة الشبكة. يستخدم هذا الكبل النيتروجين السائل لتحقيق درجة حرارة تشغيل 60 كلفن أو -206 درجة مئوية. هذا مثير للإعجاب للغاية ، واستخدام النيتروجين السائل في التبريد يجعله ميسور التكلفة إلى حد ما على الأقل ، لكننا سنحتاج إلى أفضل بكثير لبدء استبدال البنية التحتية الكهربائية للعالم بأسره.

تعتبر الموصلية الفائقة مجالًا رئيسيًا للبحث لكل من الأكاديميين وعلماء الصناعة ، ولكن من الممكن جدًا العثور على حل نهائي على السبورة أولاً ، وفي المختبر ثانيًا.

تحقق من سلسلة 2007es.com Explains الخاصة بنا للحصول على تغطية أكثر عمقًا لأهم الموضوعات التقنية اليوم.

Copyright © كل الحقوق محفوظة | 2007es.com