Supraleitung in der Elektroindustrie. Teil 2. Die Zukunft der Supraleiter

Auf den ersten Blick scheinen neue Materialien, Supraleiter, vorteilhaft zu sein, um fast überall dort eingesetzt zu werden, wo Magnetfelder und elektrische Ströme verwendet werden. Aber ist das so?

Um viele technische Arbeiten mit Supraleitern zu steuern, sollte berücksichtigt werden, dass es überhaupt keine Supraleiter als solche gibt. Dies sind die üblichen Metalle, die allen bekannt sind und unter besonderen Bedingungen ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen.

Aluminium beispielsweise leitet elektrischen Strom bei Raumtemperatur gut und wird daher als einer der besten Leiter angesehen. Das Magnetfeld darin ist leicht verstärkt: Solche Materialien werden Paramagnete genannt. Aluminium überträgt Wärme perfekt, was bedeutet, dass es als Wärmeleiter betrachtet werden kann.

Beim Abkühlen auf extrem niedrige Temperaturen ändern sich die Eigenschaften einiger Metalle erheblich. Bei demselben Aluminium beispielsweise verschwindet bei Temperaturen unter 272 ° C der elektrische Widerstand und die Leitfähigkeit steigt bis ins Unendliche (Supraleiter). Die Wärmeleitfähigkeit des Materials verschlechtert sich jedoch fast genauso stark (Wärmeisolator). Das Magnetfeld ist vollständig von der Probe verschoben (idealer Diamagnet). Dies reicht jedoch nicht aus: Es ist möglich, die Quanteneigenschaften eines Materials zu registrieren, die sich bei normalen Temperaturen indirekt manifestieren.

Metalle, die eine solche unerwartete Kombination von Eigenschaften aufweisen, werden üblicherweise als Supraleiter bezeichnet, aber man sollte die Einschränkungen dieses Namens nicht vergessen. Eine verringerte Wärmeleitfähigkeit neuer Materialien wird noch selten verwendet. Der Diamagnetismus von Supraleitern wird bereits gezielt angewendet. Quanteneigenschaften bildeten die Grundlage für die Wirkung vieler hochpräziser Messinstrumente.

In der Anfangsphase der Entwicklung eines neuen Phänomens konzentrieren sich die Interessen der meisten Forscher jedoch auf die Nutzung der unendlich großen Leitfähigkeit von Supraleitern.

Besonders erfolgreich sind supraleitende Magnetsysteme für verschiedene Zwecke. In der Tat können durch gewöhnliche Leiter aufgrund übermäßiger Wärmeerzeugung nicht zu hohe Ströme geleitet werden. Sobald der elektrische Widerstand verschwunden ist, können die Stromdichten stark erhöht werden. Die Physiker nutzten dies: Denn je höher der Strom, desto stärker das Magnetfeld. Supraleiter können extrem starke Elektromagnete erzeugen. Deshalb ist die magnetische Richtung der technischen Supraleitung seit vielen Jahren entscheidend!

Es besteht kein Zweifel, dass die Ausrüstung in den kommenden Jahrzehnten neue Einheiten mit verbesserten Eigenschaften erhalten wird. Neue Beschleuniger, Züge mit magnetischer Aufhängung mit elektromagnetischer Traktion, große Generatoren mit supraleitendem Rotor entstehen. Es werden immer leistungsstärkere Tokamak-Modelle gebaut. Es ist unglaublich, dass im Laufe des Lebens unserer Generation industrielle thermonukleare Reaktoren entstehen, die ohne Supraleiter nicht hergestellt werden können. In einigen Jahren wird es in Gebäuden, in denen sich große Stromverbraucher befinden, möglich sein, riesige Toroidspulen zu montieren, die durch Ströme stromlinienförmig sind und für die autonome Stromversorgung lokaler Anlagen ausgelegt sind.

Es ist nützlich, elektrotechnische Strukturen zu verbessern und ihre technischen Fähigkeiten zu erweitern. Aber was vielleicht noch wichtiger ist, eine andere Aufgabe besteht darin, die Verluste aufgrund der Erwärmung von Leitern zu beseitigen, die durch elektrische Ströme gestrafft werden. Natürlich sprechen wir nicht über elektrische Haushaltsverkabelung, es reicht aus, Supraleiter für stromführende Leiter großer elektrischer Anlagen zu verwenden.

Das Fehlen von Verlusten in den Drähten begünstigt die Schaffung supraleitender Magnetsysteme und kryoelektronischer Geräte.Dennoch werden neue Elektromagnete gebaut, um Verluste nicht zu reduzieren, sondern um zuvor unerreichbare Magnetfelder zu erzeugen. Geräte auf der Basis von Supraleitern ermöglichen eine extrem hohe Messgenauigkeit, obwohl eine Effizienzsteigerung die technische Leistung von Supermetern erheblich verbessert.

Es ist äußerst vorteilhaft, Supraleiter speziell zur Reduzierung elektrischer Verluste zu verwenden. Diese Arbeit verdient weltweite Unterstützung. Beispielsweise werden supraleitende Kabel nicht benötigt, da die Konstruktionsmöglichkeiten bekannter Materialien bereits ausgeschöpft sind. Solche linearen Bauelemente sind vor allem deshalb attraktiv, weil sie zur Beseitigung von Verlusten in elektrischen Netzen verwendet werden können. Wenn supraleitende Stromleitungen weit verbreitet sind, können enorme Einsparungen bei den Kraftstoffressourcen erzielt werden.

Es ist bekannt, dass organische Brennstoffe (Öl, Gas, Kohle) zur Neige gehen und ihre Produktion immer schwieriger wird. Heute konzentriert sich die Energie auf die beschleunigte Schaffung von Kernkraftwerken und Kernheizkraftwerken, auf die Entwicklung der Kernfusion, auf die Nutzung von Sonnenstrahlungsenergie, die Wärme der Meere und Ozeane. Entworfene Stationen, die mit der Energie von Gezeiten und Wellen arbeiten.

Supraleiter wären von Natur aus ideal für diesen Zweck. Schließlich werden die Adern neuer Kabel, Generatoren und Transformatoren nicht durch elektrische Ströme erwärmt. Zum ersten Mal könnten Menschen Joule-Verluste bewusst aus dem Gleichgewicht der Stromkosten ausschließen. Es wird geschätzt, dass die supraleitende Leistung großer Kraftwerke dem Land Milliarden von Dollar bringen würde.

Es ist nicht alles, die technischen Eigenschaften elektrischer Geräte zu verbessern, den Kraftstoffverbrauch zu senken und heute teilweise die Verluste an Leitern auszugleichen. Supraleiter verbessern die Umweltsituation auf der ganzen Welt! Schließlich wird die Energie aller technischen Geräte letztendlich in Wärme umgewandelt. Die Heizrate des Planeten ist hoch und entspricht dem Tempo der industriellen Entwicklung. Die weit verbreitete Einführung supraleitender elektrischer Geräte würde den Wärmezufluss in die Atmosphäre verringern und die thermische Verschmutzung des Planeten zumindest schwächen, wenn nicht sogar beseitigen.

Das Problem der weit verbreiteten Einführung von Supraleitern in der Elektrotechnik ist komplex und vielfältig, aber die Ergebnisse der Verwendung von Supraleitern in physikalischen und industriellen Installationen können enorm sein.

Supraleitung ist ein wunderbares Phänomen. Physiker untersuchen die ungewöhnlichen und beeindruckenden Eigenschaften von Supraleitern und dringen immer tiefer in die Geheimnisse der Struktur der Materie ein. Ingenieure bemühen sich, Supraleiter zu ihrem Werkzeug zu machen, damit sie funktionieren. Die Supertask für Supraleiter ist die Übertragung ihrer nützlichen Eigenschaften auf Objekte neuer Technologie.

Mikhail Chernov