Nadprzewodniki bez chłodzenia do zera? Nowe wyniki z YBCO otwierają drogę do przyszłości

Prąd, który płynie bez najmniejszej straty energii — brzmi jak fizyczne perpetuum mobile. A jednak nadprzewodniki naprawdę to potrafią, tylko dotąd wymagały ekstremalnego chłodzenia. Materiał o skrócie YBCO może być krokiem w stronę praktycznego zastosowania tego zjawiska.

Czym właściwie jest nadprzewodnictwo?

→ Czytaj też: Fizycy słuchają muzyki wszechświata. Co usłyszą?

Nadprzewodnik to materiał, który poniżej pewnej temperatury krytycznej traci opór elektryczny. Prąd może w nim krążyć w kółko bez żadnych strat energii. To zjawisko odkryto ponad sto lat temu, ale przez dekady działało wyłącznie w temperaturach bliskich zera bezwzględnego, czyli około minus 273 stopni Celsjusza.

Taki warunek czynił nadprzewodniki technologiczną ciekawostką. Utrzymanie tak niskiej temperatury wymaga ciekłego helu — drogiego i kłopotliwego w obsłudze. Trudno wyobrazić sobie linię energetyczną chłodzoną w ten sposób na tysiącach kilometrów.

Dlaczego YBCO jest wyjątkowy?

→ Czytaj też: Nabudowali OZE, a ryzyko blackoutu wzrośnie. Skąd ten paradoks?

Przełomem okazały się tak zwane nadprzewodniki wysokotemperaturowe. YBCO, czyli tlenek itru, baru i miedzi, działa w temperaturach znacznie wyższych niż klasyczne materiały. Kluczowe jest to, że przechodzi w stan nadprzewodzący powyżej temperatury wrzenia ciekłego azotu.

To rozróżnienie ma ogromne znaczenie praktyczne. Ciekły azot jest tani, dostępny i łatwy w obsłudze — kosztuje mniej niż mleko. Materiał, który można chłodzić azotem zamiast helem, otwiera drogę do zastosowań, o których wcześniej nie było mowy.

Jak zauważa serwis Antyweb w materiale o postępach nad YBCO, ten kierunek badań traktowany jest jako potencjalny bilet do energetyki przyszłości, w której straty przesyłowe zostałyby zredukowane niemal do zera.

Co stoi na przeszkodzie?

Skoro YBCO działa w rozsądnej temperaturze, dlaczego nie mamy go w gniazdkach? Problem tkwi w samym materiale. YBCO jest ceramiczny — kruchy i trudny do uformowania w długie, elastyczne przewody. Metale gną się i ciągną, ceramika pęka.

Drugim wyzwaniem jest struktura wewnętrzna. Aby prąd płynął bez oporu, ziarna materiału muszą być ułożone niemal idealnie. Nawet niewielkie odchylenia między kryształami blokują przepływ prądu, obniżając wydajność. Produkcja jednorodnych taśm nadprzewodzących na skalę przemysłową pozostaje kosztowna i wymagająca.

Do tego dochodzi ograniczenie pola magnetycznego. Zbyt silne pole może zniszczyć stan nadprzewodzący. W praktyce inżynierowie muszą balansować między natężeniem prądu, temperaturą a polem magnetycznym, których materiał jeszcze jest w stanie znieść.

Znaczenie: gdzie to się przyda?

Mimo trudności, nadprzewodniki wysokotemperaturowe już znajdują zastosowanie tam, gdzie liczy się każdy wat. Kable oparte na YBCO testuje się w sieciach energetycznych dużych miast, gdzie miejsce jest na wagę złota, a straty przesyłowe kosztują miliony.

Najbardziej obiecującym polem pozostaje jednak energetyka termojądrowa. Silne magnesy z nadprzewodników wysokotemperaturowych pozwalają utrzymać plazmę w mniejszych i tańszych reaktorach fuzyjnych. To właśnie tam kruchość ceramiki mniej przeszkadza, a zysk z braku oporu jest największy.

Droga od laboratorium do gniazdka wciąż jest daleka. Ale każdy postęp w wytwarzaniu taśm YBCO przybliża świat, w którym prąd płynie bez marnowania energii. To nie fizyczna magia — to inżynieria, która powoli dojrzewa.