Мы на пороге новой эры
Многие из нас знают сказку о вечном двигателе. Это машина, которая может работать вечно без источника энергии. Вы запускаете машину только один раз, и она будет продолжать работать бесконечно без дополнительной энергии с вашей стороны. Нечто подобное могло бы стать источником свободной и бесконечной силы, полностью революционизирующей наш мир в его мистическом процессе. Но это «мистическое» не без причины. Вечный двигатель нарушил бы наши законы физики, в частности законы термодинамики, которые описывают поведение энергии в нашей Вселенной. По этой причине ученые считают это совершенно невозможным.
Однако есть одна технология, которую мы уже создали, которая все больше приближается к вечному двигателю. Она мощная и загадочная, вызывающая безумие в научном сообществе, поскольку мы узнаем о ней уже на протяжении десятилетий. Она способна совершить вторую промышленную революцию.
Это история о сверхпроводнике.
Есть причина, по которой электростанции часто устанавливают так близко к оживленным городам. До 30% вырабатываемой ими электроэнергии может теряться в линиях электропередачи. Это обычная проблема с электроприборами. Большая часть энергии теряется на тепло. Вот почему, например, большая часть пространства компьютера отведена для охлаждения деталей, которые помогают бороться с теплом, выделяемым в цепях. Достижения в области сверхпроводников позволили бы нам сделать компьютеры в 1000 раз более мощными, чем те, которые есть у вас сегодня дома. Эти компьютеры следующего поколения будут более компактными, а внутренние сверхпроводящие соединения будут означать гораздо более быструю обработку.
Проще говоря, сверхпроводники решают проблему потери энергии на тепло. Эти специальные материалы могут переносить электричество, не теряя при этом никакой энергии. Это поразительная особенность. Это звучит так же фантастично, как этот образ вечного двигателя, который ходит без каких-либо затрат энергии. Невозможно. И все же, ученым удалось поддерживать электрический ток внутри сверхпроводящего кольца более 2 лет. И это без первоначального источника энергии. Фактически, единственная причина, по которой ток прекратился, заключается в том, что ученые потеряли доступ к своему жидкому гелию, а не потому, что течение не могло продолжаться. Наши эксперименты приводят нас к мысли, что токи в сверхпроводящих материалах могут длиться сотни тысяч лет, если не больше. Электрический ток в сверхпроводниках может течь бесконечно, передавая энергию без каких-либо затрат для нас.
Но дьявол кроется в деталях. Причина, по которой жидкий гелий был так важен, заключается в том, что он помогал охлаждать сверхпроводящие материалы до чрезвычайно низких температур. Большинство сверхпроводников работают только при температуре на сотни градусов ниже точки замерзания воды, около того, что мы называем абсолютным нулем.
Абсолютный ноль - это самая низкая из возможных температур. Он представлен как 0 Кельвина (-273,15 ° Цельсия или -459,67 ° Фаренгейта). Движение атомов при такой температуре почти ничего не стоит. Это ключ к сверхпроводникам. Обычно электроны, движущиеся по проволоке, сталкиваются с другими колеблющимися атомами, вызывая потерю энергии и сопротивление. Но поскольку атомы почти полностью неподвижны при таких низких температурах, электроны могут проходить мимо без столкновений и без потерь энергии. Разные материалы необходимо будет понизить до разных температур, известных как их критическая температура, прежде чем они станут сверхпроводящими. Интересно, что такие материалы, как золото, серебро и медь, нельзя превратить в сверхпроводники, даже если они являются одними из лучших проводников при комнатной температуре.
В 80-х годах был открыт новый класс сверхпроводников . Как ни странно, они были сделаны из керамики и могли производиться при гораздо более высоких температурах, чем прежние материалы. В то время как другие материалы должны были быть всего на несколько градусов выше 0 Кельвина, керамика стала сверхпроводящей при температуре 92 Кельвина. Их было так легко сделать, что любой, у кого есть не так много денег и микроволновая печь, мог воссоздать их дома. Это странно. Керамика обычно плохой проводник. По сей день физики не совсем уверены, почему эта особая керамика вообще становится сверхпроводящей.
Конечная мечта - иметь возможность производить эту технологию при комнатной температуре. Одна из самых высоких зарегистрированных температур для сверхпроводников составляет 138 Кельвинов (-211 ° F или -135 ° C). По-прежнему далеко от средней комнатной температуры 70 ° F (21 ° C).
Как бы выглядел мир со сверхпроводниками при комнатной температуре? Помимо более мощных и компактных компьютеров, мы также увидим революцию в транспортной отрасли. Самые быстрые поезда на Земле, которые могут развивать скорость до 375 миль в час - полагаются на сверхпроводящие магниты. Двигатели для кораблей и автомобилей будут в 10 раз меньше их размера, а дорогие аппараты МРТ для медицинской диагностики поместятся у вас на ладони. Сверхпроводники могут создавать более эффективные электромагниты, подобные тем, которые уже есть сегодня повсюду в нашем доме, больницах, на строительных площадках и в наших генераторах.
Но, пожалуй, самая захватывающая перспектива сверхпроводников связана с энергией. Электростанции не нужно будет строить рядом с городами, поскольку при передаче больше не будет теряться так много энергии. Это безопаснее для людей и снижает загрязнение окружающей среды, не говоря уже о том, что сверхпроводящие провода помогут сэкономят нам финансы. А что, если мощные сверхпроводящие магниты смогут помочь запустить реакции атомного синтеза? Что ж, это означало бы почти бесконечный запас дешевой энергии для мира. Использование сверхпроводящих материалов для термоядерного синтеза известно как высокополевой путь. Такие устройства высокого поля дают невероятные результаты : исследования показывают , они будут производить больше энергии , чем они потребляют.
В октябре этого года мы на шаг приблизились к реализации сверхпроводников при комнатной температуре. Ученые создали материал без электрического сопротивления, работающий при 59 ° F (15 ° C). Этот материал был сделан из водорода, углерода и серы. Единственным недостатком является то, что это соединение сохраняло сверхпроводимость только при невероятных давлениях, подобных тем, которые существуют в центре нашей планеты. Теперь цель состоит в том, чтобы найти материал, который будет сверхпроводящим как при комнатной температуре, так и при нормальном атмосферном давлении.
Мы знаем, что у сверхпроводников есть потенциал. Хотя они кажутся чем-то столь зарождающимся и сенсационным, они не обречены на мир сказок. Вопрос не в том, могут ли они существовать, а в том, когда они станут практичными и доступными для нашего общества.
Такие технологии, как сверхпроводники, открывают новую эру. Если до сих пор мы жили в эпоху электричества, то сверхпроводники при комнатной температуре принесут с собой век магнетизма. Время, отмеченное блистательным изобилием энергии для всех - время, отмеченное улучшенным транспортным сообщением между далекими уголками мира. Если бы только путь к этой технологии был таким же быстрым и плавным, как парящие поезда, которые она вдохновила. Мы внедряем инновации сейчас, ночью, при свете электрической лампочки. Работаем над магнетическим будущим.