Anwendung der Supraleitung in Wissenschaft und Technik

Supraleitung wird als Quantenphänomen bezeichnet, das darin besteht, dass einige Materialien, wenn ihre Temperatur auf einen bestimmten kritischen Wert gebracht wird, beginnen, einen elektrischen Widerstand von Null aufzuweisen.

Heute kennen Wissenschaftler bereits mehrere hundert Elemente, Legierungen und Keramiken, die sich auf diese Weise verhalten können. Ein Leiter, der in den supraleitenden Zustand übergegangen ist, beginnt das zu zeigen, was man nennt Meissner-Effekt, wenn das Magnetfeld aus seinem Volumen vollständig nach außen verdrängt wird, was natürlich der klassischen Beschreibung der Effekte widerspricht, die mit der gewöhnlichen Leitung unter Bedingungen eines hypothetischen Ideals, also Nullwiderstand, verbunden sind.

Im Zeitraum von 1986 bis 1993 wurden eine Reihe von Hochtemperatursupraleitern entdeckt, also solche, die nicht mehr bei so niedrigen Temperaturen wie dem Siedepunkt von flüssigem Helium (4,2 K), sondern beim Sieden in einen supraleitenden Zustand übergehen Punkt von flüssigem Stickstoff (77 K) – 18-mal höher, was unter Laborbedingungen viel einfacher und billiger als mit Helium erreicht werden kann.

Gesteigertes Interesse an der praktischen Anwendung Supraleitung begann in den 1950er Jahren, als Supraleiter vom Typ II mit ihrer hohen Stromdichte und magnetischen Induktion hell am Horizont auftauchten. Dann erlangten sie immer mehr praktische Bedeutung.

Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion sagt uns, dass um uns herum immer elektrischer Strom vorhanden ist Magnetfeld... Und da Supraleiter Strom ohne Widerstand leiten, genügt es, solche Materialien einfach auf der richtigen Temperatur zu halten und so Bauteile für den Bau idealer Elektromagnete zu erhalten.

In der medizinischen Diagnostik werden beispielsweise bei der Magnetresonanztomographie leistungsstarke supraleitende Elektromagnete in Tomographen eingesetzt. Ohne sie wären Ärzte nicht in der Lage, solch beeindruckende hochauflösende Bilder des inneren Gewebes des menschlichen Körpers zu erhalten, ohne auf den Einsatz eines Skalpells zurückzugreifen.

Supraleitende Legierungen wie intermetallische Niob-Titan- und Niob-Zinn-Legierungen haben große Bedeutung erlangt, aus denen sich technisch leicht stabile dünne supraleitende Filamente und Litzen herstellen lassen.

Wissenschaftler haben längst Verflüssiger und Kühlschränke mit hoher Kühlleistung (auf dem Temperaturniveau von flüssigem Helium) entwickelt und trugen bereits in der UdSSR zur Entwicklung der Supraleitungstechnologie bei. Schon damals, in den 1980er Jahren, wurden große elektromagnetische Anlagen gebaut.

Die weltweit erste Versuchsanlage T-7 wurde in Betrieb genommen, um die Möglichkeit der Auslösung einer Fusionsreaktion zu untersuchen, bei der supraleitende Spulen erforderlich sind, um ein toroidales Magnetfeld zu erzeugen.In großen Teilchenbeschleunigern werden supraleitende Spulen auch in Blasenkammern für flüssigen Wasserstoff eingesetzt.

Es werden Turbinengeneratoren entwickelt und hergestellt (in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden die ultraleistungsstarken Turbinengeneratoren KGT-20 und KGT-1000 auf Basis von Supraleitern hergestellt), Elektromotoren, Kabel, Magnetabscheider, Transportsysteme usw.

Durchflussmesser, Füllstandsmessgeräte, Barometer, Thermometer – Supraleiter eignen sich hervorragend für all diese Präzisionsinstrumente. Die Hauptanwendungsgebiete von Supraleitern in der Industrie bleiben zwei: magnetische Systeme und elektrische Maschinen.

Da der Supraleiter den magnetischen Fluss nicht durchlässt, bedeutet dies, dass ein Produkt dieser Art die magnetische Strahlung abschirmt. Diese Eigenschaft von Supraleitern wird in Präzisions-Mikrowellengeräten sowie zum Schutz vor einem so gefährlichen Schadensfaktor einer nuklearen Explosion wie starker elektromagnetischer Strahlung genutzt.

Daher bleiben Niedertemperatursupraleiter für die Herstellung von Magneten in Forschungsgeräten wie Teilchenbeschleunigern und Fusionsreaktoren unverzichtbar.

Magnetschwebebahnen, die heute in Japan aktiv eingesetzt werden, können sich mittlerweile mit einer Geschwindigkeit von 600 km/h fortbewegen und haben ihre Machbarkeit und Effizienz längst bewiesen.

Das Fehlen eines elektrischen Widerstands in Supraleitern macht die Übertragung elektrischer Energie wirtschaftlicher. Beispielsweise könnte ein unter der Erde verlegtes supraleitendes dünnes Kabel im Prinzip Strom übertragen, für dessen Übertragung auf herkömmliche Weise ein dickes Kabelbündel – eine umständliche Leitung – erforderlich wäre.

Derzeit sind nur noch die Kosten- und Wartungsprobleme relevant, die mit der Notwendigkeit verbunden sind, kontinuierlich Stickstoff durch das System zu pumpen. Im Jahr 2008 konnte American Superconductor jedoch erfolgreich die erste kommerzielle supraleitende Übertragungsleitung in New York in Betrieb nehmen.

Darüber hinaus gibt es industrielle Batterietechnologie, die es heute ermöglicht, Energie in Form eines kontinuierlichen zirkulierenden Stroms zu akkumulieren und zu speichern (akkumulieren).

Durch die Kombination von Supraleitern mit Halbleitern schaffen Wissenschaftler ultraschnelle Quantencomputer, die der Welt eine neue Generation der Computertechnologie vorstellen.

Das Phänomen der Abhängigkeit der Übergangstemperatur eines Stoffes in einen supraleitenden Zustand von der Größe des Magnetfeldes ist die Grundlage gesteuerter Widerstände – Kryotrons.

Im Moment können wir natürlich von erheblichen Fortschritten bei der Gewinnung von Hochtemperatursupraleitern sprechen.

Beispielsweise geht die Metallkeramik-Zusammensetzung YBa2Cu3Ox bei einer Temperatur oberhalb der Verflüssigungstemperatur von Stickstoff in einen supraleitenden Zustand über!

Die meisten dieser Lösungen beruhen jedoch auf der Tatsache, dass die erhaltenen Proben zerbrechlich und instabil sind; Daher sind die oben genannten Nioblegierungen in der Technologie immer noch relevant.

Supraleiter ermöglichen die Herstellung von Photonendetektoren. Einige von ihnen nutzen die Andreev-Reflexion, andere nutzen den Josephson-Effekt, die Tatsache des Vorhandenseins eines kritischen Stroms usw.

Es wurden Detektoren gebaut, die einzelne Photonen aus dem Infrarotbereich aufzeichnen, was gegenüber Detektoren, die auf anderen Aufzeichnungsprinzipien wie photoelektrischen Multiplikatoren usw. basieren, eine Reihe von Vorteilen aufweist.

Speicherzellen können auf Basis von Wirbeln in Supraleitern erzeugt werden. Einige magnetische Solitonen werden bereits auf ähnliche Weise genutzt. Zweidimensionale und dreidimensionale magnetische Solitonen ähneln Wirbeln in einer Flüssigkeit, bei der die Rolle von Stromlinien durch Domänenausrichtungslinien übernommen wird.

Tintenfische sind supraleitende Miniaturgeräte auf Ringbasis, die auf der Beziehung zwischen Änderungen des magnetischen Flusses und der elektrischen Spannung basieren. Solche Mikrogeräte funktionieren in hochempfindlichen Magnetometern, die das Erdmagnetfeld messen können, sowie in medizinischen Geräten zur Erstellung von Magnetogrammen gescannter Organe.