Príbeh o materiáloch, ktoré bez odporu vedú elektrický prúd, sa začal v roku 1911, keď holandský fyzik Heike Kamerlingh Onnes objavil supravodivosť ortuti. Technológie rozvíjajúce sa na základe jeho objavu skvalitnili život väčšine svetovej populácie a neustále sa zdokonaľujú.
Na začiatku 20. storočia sa v laboratóriu v holandskom Leidene podarilo vedcom skvapalniť hélium a s teplotou pod 0,9 K sa dostali blízko k absolútnej nule. Keď ochladzovali ortuť tekutým héliom, ukázala ručička prístroja na meranie odporu náhly pád na nulu. Tým pádom sa v roku 1911 začal príbeh, ktorý pokračoval o dva roky neskôr udelením Nobelovej ceny autorovi objavu supravodivosti – H. K. Onnesovi. V súčasnosti už existujú tisícky supravodičov využívajúcich tento objav. V niektorých aplikáciách, ako sú napríklad výkonné magnety v medicínskej diagnostike, ide o materiály podieľajúce sa na záchrane životov.
Začalo sa to nulou
Ak vás zaujíma, aké skupiny supravodivých materiálov poznáme a aké je ich využitie, začneme od nuly – pripomenutím základných faktov o jave, pri ktorom elektrický odpor klesne úplne na nulu. Prvý objavený supravodič mal to najjednoduchšie zloženie: išlo o čistú ortuť, teda chemický prvok. Náročné chladenie čistých prvkov však bolo značnou prekážkou praktického využitia supravodivého javu a tak sa začal intenzívny výskum supravodivých vlastností pokročilejších materiálov. Supravodiče sme v orientačnom prehľade rozdelili do skupín podľa rastúcej zložitosti ich štruktúry. Na obrázku vidíme, že komplikovanejšia štruktúra, a tým zvyčajne aj náročnejšia príprava, býva vyvážená zaujímavými vlastnosťami, napríklad rastúcou kritickou teplotou, a z toho vyplývajúcimi širšími možnosťami praktického využitia.
Niób nad zlato
Z prvkov zobrazených v periodickej tabuľke má po ochladení a za normálneho tlaku supravodivé vlastnosti len 31 z nich, teda približne tretina. Kritické teploty čistých prvkov sa pohybujú v blízkosti absolútnej nuly, od niekoľkých stotín kelvinov, až po maximálne 9 K pre niób. To vyžaduje chladenie drahým tekutým héliom, ktorého cena v posledných dekádach neustále rastie.
Zaujímavosťou je, že pre prvky zo stredu periodickej tabuľky s najvyššou klasickou vodivosťou, ako sú meď, striebro a zlato, sa nenašli podmienky, za ktorých dokážu viesť prúd supravodivo. Keby sa teda v minulosti zaoberali supravodivosťou alchymisti, hľadali by opak kameňa mudrcov – uprednostnili by paradoxne premenu zlata na neušľachtilé kovy.
Na technické využitie supravodivosti sú v porovnaní s čistými prvkami oveľa zaujímavejšie kombinácie viacerých prvkov, najmä vo forme zliatin alebo chemických zlúčenín. Celkový počet materiálov so supravodivými vlastnosťami sa v súčasnosti odhaduje na niekoľko tisíc. Zopár z nich si predstavíme– a budú medzi nimi aj materiály, pri ktorých by elektrickú vodivosť predtým nikto nečakal.
Kde sa dvaja zlejú, teplota vyhráva
Prípravou zliatiny, respektíve chemickým zlúčením aspoň dvoch kovových alebo polokovových prvkov sa kritická teplota supravodičov v porovnaním s jednoduchým prvkom zvýši na niekoľko desiatok kelvinov.
Takto pripravené supravodiče stále vyžadujú chladenie tekutým héliom, takže sa ešte považujú za nízkoteplotné. Chladenie supravodičov je však len jeden z mnohých parametrov ovplyvňujúcich výber konkrétneho supravodivého materiálu na dané použitie. Zliatiny a kovové zlúčeniny pokrývajú viac než 90 % predaja v sektore supravodičov, predovšetkým vďaka veľmi dobre zvládnutej technológie výroby.
Drôty z Nb3Sn alebo NbTi sa často v praxi spájajú do káblov. Rozdelenie supravodiča do viacerých paralelných vláken a ich špirálovité skrútenie zabezpečuje tiež lepšiu mechanickú odolnosť supravodiča proti deformácii pri jeho navíjaní.
Všeobecne najrozšírenejším použitím supravodičov je zhotovovanie elektromagnetov. V pravom rámiku sú zobrazené dva príklady takéhoto využitia supravodivých drôtov na základe Nb3Sn alebo NbTi:
- Vo Veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) pri Ženeve (horný podobrázok) je silné magnetické pole potrebné na manipuláciu s časticami vytvárané takmer 30 000 kilometrami supravodivého drôtu. Drôty z NbTi vážia 800 ton a ide o doteraz najväčší supravodivý magnet na svete. Človek v urýchľovači je na porovnanie vyznačený červenou šípkou.
- Včasná medicínska diagnostika, napríklad pomocou magnetickej rezonancie (dolný podobrázok), môže zachrániť život. Úlohou silného magnetického poľa vytváraného supravodivými cievkami je v tomto prípade zvýšenie citlivosti prístrojov. Výsledkom je presná neinvazívna medicínska diagnostika.
Drôty z nízkoteplotných supravodičov by sa dali použiť aj na prenos silovej elektrickej energie; v tejto oblasti im však začínajú vážne konkurovať keramické supravodiče, ktorým sa budeme venovať ďalej.
Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 10/2016.Časopis Quark si môžete objednať tu alebo na adrese: predplatne@quark.sk
Mgr. Michal Skarba, PhD., Univerzitný vedecký park STU v Bratislave
Dr. Ing. Marcela Pekarčíková, Materiálovo-technologická fakulta STU so sídlom v Trnave
doc. Ing. Fedor Gömöry, DrSc., Elektrotechnický ústav SAV v Bratislave
Ilustrácie Marcela Pekarčíková
