Apa itu superkonduktor, dan kapan kita semua akan mendapatkan kereta maglev dan daya listrik tak terbatas?

Superkonduktivitas adalah salah satu konsep tersebut - seperti spin elektron atau dilasi waktu - yang tampaknya bersifat esoterik, tetapi jika dikuasai melalui teknologi, dapat benar-benar merevolusi dunia. Ini adalah konsep yang sudah banyak kami gunakan saat ini, dalam berbagai aplikasi, tetapi kemampuan untuk membuatnya di lingkungan yang kurang ramah bisa menjadi kunci untuk mewujudkan banyak impian fiksi ilmiah.

Apa itu superkonduktivitas? Sederhananya, superkonduktivitas adalah properti dari memiliki nol (tidak hampir nol, tidak mendekati nol, tetapinol) resistensi terhadap pergerakan elektron. Ini lebih dari sekedarsangat sangat rendahperlawanan, Karena untuk mendapatkan superkonduktivitas yang sebenarnya dalam, katakanlah, sebuah kabel, salah satu ujung kabel tersebut harus dapat menerima 100% energi yang dimasukkan ke dalam yang lain. Ini berarti bahwa jika kita memompa sebagian listrik ke dalam loop superkonduktor tertutup, loop tersebut akan menahan muatannya tanpa batas. Elektron hanya akan berputar-putar, tidak pernah berhenti, dan tidak pernah kehilangan energinya untuk resistansi, gangguan magnet, atau bahkan kehilangan panas.

Sampel dari bahan superkonduktor eksotis bismut strontium kalsium tembaga oksida (BSCCO-2223).

Sampel dari bahan superkonduktor eksotis bismut strontium kalsium tembaga oksida (BSCCO-2223).



Namun, ada satu masalah besar dengan eksperimen pikiran loop tertutup: ini menyiratkan bahwa superkonduktivitas adalah keadaan di mana material dapat dengan mudahmenjadi. Namun, semua superkonduktor yang saat ini diketahui harus secara aktif disimpan dalam keadaan itu melalui masukan energi; kita harus menjaganya di bawah suhu kritis tertentu, dan sering menambahkannya dengan menerapkan medan magnet untuk melumpuhkan beberapa gaya internal yang tersisa. Ambang batas suhu sangat rendah, dan karenanya sangat mahal untuk dipertahankan. Aluminium, misalnya, memiliki ambang suhu superkonduktor 1,2 Kelvin, atau -271,95 ° C.

Fisika yang terlibat cukup sederhana atau cukup kompleks, tergantung pada materialnya. Dalam logam murni atau paduan logam sederhana, superkonduktivitas muncul pada dasarnya ketika atom dari bahan tersebut telah didinginkan (diperlambat) ke titik di mana elektron tidak tersebar ketika mereka mencoba untuk bergerak melalui kisi atom logam. Itu bagus, tetapi menghentikan pergerakan atom (panas) sangat sulit, seperti yang disebutkan. Bahan yang lebih kompleks, beberapa di antaranya dapat mencapai superkonduktivitas di atas suhu kriogenik, jelas berada dalam ranah keanehan kuantum, dan berkaitan dengan interaksi transien antara pasangan elektron.

Ini berarti loop energi tak terhingga kita hanya bisa ada selama kita mengeluarkan energi yang signifikan untuk menjaga loop dalam keadaan superkonduktor, dan hal semacam itu mengalahkan titik penyimpanan energi lossless, bukan?

Dunia

Kabel superkonduktor pertama di dunia. Bahkan sains paling mutakhir pun tidak dapat terlihat sangat maju, di lokasi konstruksi.

Aplikasi superkonduktor saat ini semuanya dibatasi oleh persyaratan suhunya. Mesin MRI sangat mahal harganya, sebagian besar karena mereka membutuhkan zat eksotis seperti helium cair untuk mendinginkan gulungan logam hingga dapat menghantarkan listrik yang cukup untuk menciptakan kekuatan medan magnet yang diperlukan untuk mengubah orientasi massal molekul tubuh manusia. Sebagian besar biaya mengejutkan dari Large Hadron Collider berasal dari sumber yang sama. Bahkan penelitian tentang daya fusi diperlambat oleh biaya dan kesulitan yang hampir tidak dapat dipercaya dalam membuat rig tokamak magnetis besar untuk pengurungan plasma.

Inilah sebabnya mengapa Holy Grail kami bukanlah superkonduktivitas, yang telah dicapai dalam segala hal mulai dari porselen super dingin hingga berlian super dingin, tetapipraktis superkonduktivitas. Ini juga disebut sebagai superkonduktivitas suhu tinggi atau (untuk superkonduktivitas suhu ruangan yang benar-benar ambisius). Ambang batas 'suhu tinggi' secara teknis sekitar 30K, tetapi dalam percakapan akhir-akhir ini, umumnya terkunci pada batasan aplikasi dunia nyata. Suhu tinggi untuk superkonduktor pada dasarnya adalah suhu apa pun yang dapat dibuat oleh para ilmuwan dengan biaya energi yang dapat diterima. Jika kita tiba-tiba dapat mendinginkan bahan superkonduktor hingga 29 Kelvin dengan sedikit kesulitan, 29 Kelvin secara efektif akan menjadi suhu tinggi, untuk tujuan kita.

Kereta Maglev akan menjadi pilihan logis di hampir setiap kasus, jika bukan karena betapa mahalnya mereka.

Kereta Maglev akan menjadi pilihan logis di hampir setiap kasus, jika bukan karena betapa mahalnya mereka.

Tanyakan pada diri Anda: Apa hambatan teknologi yang membuat Afrika menjadi baterai listrik yang bertenaga semua manusia? Secara umum ada dua. Salah satunya adalah kemampuan untuk mengumpulkan dan menyimpan sebagian besar sinar matahari yang jatuh di benua gurun itu, dan yang lainnya adalah kemampuan untuk benar-benar mendapatkan energi yang tersimpan di seluruh dunia, ke rumah, kantor, dan pabrik yang membutuhkannya. Dengan bahan superkonduktor yang cukup terjangkau dan praktis, kami dapat mengirimkan elektron kami melintasi Atlantik. Kita bisa mengubah jalur transit kota menjadi kereta peluru yang melayang secara magnetis. Rumah sakit dapat memiliki lebih banyak mesin MRI daripada yang mereka butuhkan, dan meminjamkan beberapa untuk digunakan di rumah. Secara umum, ini dapat memungkinkan penerapan teknologi skala besar yang sebelumnya hanya mungkin dilakukan pada skala kecil, atau di laboratorium khusus yang didanai dengan baik.

Kami jauh dari ambang batas itu, hari ini. Struktur kristal yang berbeda dapat melakukan pekerjaan itu (berlian bekerja, seperti yang disebutkan), tetapi apa yang ditemukan para ilmuwan adalah bahwa mereka dapat mencapai hasil yang sama dalam bahan campuran yang kompleks - meskipun fisika tentang mengapa hal itu saat ini tidak jelas. Superkonduktor terbaik yang pernah dibuat adalah cuprates, atau zat yang mengandung cooper-ion, tetapi yang paling canggih dari ini masih memerlukan pendinginan hingga -140 ° C, dan cukup sulit serta mahal untuk diproduksi.

Diagram cara kerja internal kabel superkonduktor di Essen, Jerman.

Diagram cara kerja internal kabel superkonduktor di Essen, Jerman.

Bukan berarti belum ada yang berhasil. Mempertimbangkan efisiensi listrik sederhana, yang menyebabkan hilangnya sekitar 6% listrik dalam transmisi tenaga, kota Essen di Jerman baru saja dipasang kabel superkonduktor sepanjang satu kilometer untuk mentransfer daya jaringan. Kabel ini menggunakan nitrogen cair untuk mencapai suhu kerja 60K, atau -206 ° C. Itu sangat mengesankan, dan penggunaan nitrogen cair untuk pendinginan setidaknya membuatnya terjangkau, tetapi kita perlu jauh lebih baik untuk mulai mengganti infrastruktur kelistrikan di seluruh dunia secara massal.

Superkonduktivitas adalah bidang penelitian utama bagi akademisi dan ilmuwan industri, tetapi sangat mungkin solusi akhirnya akan ditemukan di papan tulis terlebih dahulu, dan di laboratorium kedua.

Lihat seri 2007es.com Explains kami untuk liputan yang lebih mendalam tentang topik teknologi terpanas saat ini.

Copyright © Seluruh Hak Cipta | 2007es.com