Prijenos obnovljive energije tamo gdje je to potrebno leži u središtu ljudskih nastojanja da se riješi potrebe za fosilnim gorivima. Supervodiči to mogu učiniti bez usputnog gubitka dragocjene električne energije, naizgled prkoseći fizičkoj intuiciji. U ovom članku možete saznati zašto su potrebne mnoge tjelesne fizike kako bi se razumjelo njihovo protu-intuitivno ponašanje, kakvu ulogu ima kvantno preplitanje i kako kvantno računanje može dovesti do otkrića materijala koji bi nam mogli dati alate za zeleniju budućnost.
Suočavanje s klimatskim promjenama i ograničavanje fosilnih resursa našeg planeta jedan je od gorućih problema naše generacije. Fizički, oba pitanja proizlaze iz činjenice da su fosilna goriva nevjerojatno pogodna za rješavanje dva najvažnija ljudska zadatka: Proizvodnja energije i transport do mjesta gdje je potrebno. S naftom je prethodni zadatak priroda obavila u posljednjih nekoliko milijuna godina. Moramo samo ispumpati gotov proizvod iz zemlje. Prijevoz je također jednostavan zbog nevjerojatne gustoće energije. Automobil težak 2 metričke tone, može ponijeti samo 50 kg ulja a na tisuću kilometara.
Prokletstvo Ohma
Na prvi pogled oba problema nije tako teško riješiti. Znamo kako prikupiti sunčevu energiju pomoću solarnih panela, pa zašto ih jednostavno ne postavimo velik broj u pustinje zemlje, a zatim električnom energijom transportiramo u gradove dugim kabelima? Glavni razlog vjerojatno je političke prirode, pustinje u blizini Europe npr., nedavno su bile ratne zone, ali postoji i fizički aspekt: s trenutnom tehnologijom transport energije dolazi s cijenom u obliku Ohmovog zakona, koji drži sve normalne metale poput bakra i željeza koje koristimo za transport električne energije.
Zbog Ohmovog zakona, prilikom prijevoza neizbježno gubimo energiju. Postoji i drugi problem; budući da se gubitak energije događa u obliku topline, kabeli moraju biti dovoljno debeli, pri određenom protoku energije, kako se ne bi rastopili. Većina prijenosa trenutne energije također se događa pri visokom naponu (U), jer je tada gubitak energije (P) zbog zagrijavanja manji. No, visoki napon znači i velika električna polja, a ta polja mogu biti štetna za elektroniku i ljude i moramo se pobrinuti da ne dođe do munje koja skače s kabela na tlo. Svi ovi razlozi objašnjavaju zašto posvuda vidite te ružne stupove u današnjem civiliziranom svijetu.
Iako možemo reći kako estetika možda i nije najvažnija stvar koja ugrožava milijune ljudi, stvarnost je da većina ljudi ne bi voljela imati jedan od tih stupova u svom dvorištu. U Njemačkoj je ta činjenica dovela do zastoja “Energiewende”, jer se važne linije za transport električne energije sa vjetrovitog sjevera, gdje se proizvodi većina obnovljive energije, do stanovništva i industrijskih centara na jugu, gdje se proizvode svi ti sjajni automobili, ne mogu uspostaviti zbog otpora stanovništva koje živi duž planirane rute.
Presjek supervodiča
Postoje materijali s kojima je moguće prenijeti istu količinu električne energije koju prenose oni ogromni stupovi, u jednom kabelu promjera samo nekoliko cm, ispod bilo koje stare ceste. U supervodičima Ohmovo prokletstvo ne vrijedi pa mogu provoditi električnu energiju bez ikakvog gubitka energije, doslovno s nultim gubitkom. No, kako je to moguće? Ne zvuči li ovo kao perpetuum mobile, nešto poput automobila koji se stalno kotrlja kad ga samo jednom postavite u pokret?
Svaki put kad se u fizici dogodi nešto kontra-intuitivno, velika je vjerojatnost da je u njezinoj osnovi kvantna mehanika, a ni sa supravodičima nije drugačije. Zapravo, možete opisati kabel od supervodljivog materijala s jednom valnom funkcijom, kao da se radi o samo jednoj velikoj kvantnoj čestici koja se kreće. Supervodiči su jedan od rijetkih primjera gdje kvantni učinci postaju doista makroskopski; dosegnuti kilometri duljine koherentnosti nadmašuju opseg valne funkcije elektrona u atomu vodika za faktor 10’000’000’000’000. Drugim riječima, ako bi valna funkcija elektrona bila veličine čovjeka, tada bi valna funkcija u supervodiču bila velika kao i udaljenost između Zemlje i Plutona.
Elektronski pokreti u paru
Kako se to točno događa i zašto dovodi do protoka električne energije bez trenja? Iako je objašnjenje ovoga prilično točno i uključeno, te je rezultiralo dodjelom više Nobelovih nagrada otkrivačima teorije, ovdje se može prikazati jedinstvena slika analogije. U normalnom vodiču, elektroni su „vukovi usamljenici“, oni se bore kroz buzdovan atoma i guraju ih, gubeći energiju do kristalne rešetke svaki put kad nalete na nešto.
Jedno od najneintuitivnijih svojstava ovog BEC-a je da je supertekućina – tekućina koja može teći bez ikakvog trenja. To znači da ako pokrenete ovu tekućinu, ona nikada neće prestati. I upravo tako nastaje supervodljivost. Suvišna tekućina bakrenih parova ima svojstvo koje smo cijelo vrijeme pokušavali objasniti – protječe bez trenja kroz svoj bazni materijal, tj. bez ikakvog otpora.
Može li se ovo uopće koristiti?
Može i već se koriste. Jeste li ikada vidjeli te brze vlakove Maglev u Japanu? Temelje se na još jednom čudnom učinku supervodiča – potiskuju magnetska polja iz sebe. Maglevi to koriste levitirajući na supervodljivim magnetima.
No, i aplikacija o kojoj se raspravljalo na početku nije u dalekoj budućnosti. Prvi kilometri dugih kabela od supervodljivog materijala već su izgrađeni i dokazan je princip. Problem ipak ostaje da se ovi materijali moraju hladiti tekućim dušikom da bi bili supervodljivi. Postoji, međutim, sasvim druga klasa materijala u kojoj se supervodljivost javlja na mnogo višim temperaturama. Pomalo nekreativno, nazivaju se „visokotemperaturni supravodiči“. Čak i 30 godina nakon njihovog otkrića još uvijek ostaje tajna kako u njima nastaje supervodljivost, jer se slika koja je gore prikazana ne može koristiti za njihovo razumijevanje. Međutim, jedno je jasno: kvantna mehanika duboko ima svoje tajanstvene prste u svom unutarnjem radu.
Izvor: WeshingsBlogSpot
#kvantnafizika #globalnozatopljenje #energija #supervodiči
