ابر رسانا

از انتقال انرژی بدون هدررفت تا ساخت باتری‌هایی با طول عمر بی‌نهایت! آیا ابررساناها انقلاب بعدی را در دنیای فناوری رقم می‌زنند؟
در دنیای بی‌حدومرز تکنولوژی، «کارآمدی» حرف اول و آخر را می‌زند. تمام وسایل الکترونیکی که به ‌آن‌ها متکی هستیم (از گوشی موبایل گرفته تا تبلت و تلویزیون و حتی خطوط برقی که روشنایی را به خانه‌های ما می‌رساند)، دچار ضعف بزرگی به نام «هدررفت انرژی» هستند.

ناکارآمدی ترانزیستورها و مدارهای رسانای تعبیه‌شده در وسایل و تجهیزات الکترونیکی نه‌تنها باعث هدررفت انرژی می‌شود؛ بلکه این تخلیه‌ی انرژی همیشه با ایجاد گرمای مازاد همراه است که برای خنک‌کردنش باز‌هم به استفاده از انرژی بیشتر نیاز است. علاوه‌براین، گرم‌شدن تجهیزات الکترونیکی سبب افت عملکرد یا خرابی قطعات موجود در آن‌ها می‌شود.

درست همین‌جا ابررساناها وارد می‌شوند. این مواد که در دمای بسیار پایین کار می‌کنند، توانایی انتقال الکتریسیته بدون هدررفت انرژی را دارند. بااین‌حال، با وجود پیشرفت‌های تحقیقاتی درزمینه‌ی ابررساناها، هنوز تا ساخت ابررساناهای سازگار با دما و فشار محیط راه درازی در پیش داریم.

با تحقق رؤیای ساخت این نوع ابررساناها، کامپیوترهایمان دیگر داغ نمی‌کند و هنگام انتقال انرژی به‌واسطه خطوط برق، حتی یک وات برق هدر نمی‌رود و انرژی ذخیره‌شده درون باتری‌های مغناطیسی هرگز تخلیه نمی‌شود. قبل‌ از اینکه به این رؤیاپردازی ادامه دهیم، بیایید با ابررساناها و نحوه‌ی کار و انواع آن‌ها بیشتر آشنا شویم.

ابررسانا چیست؟

ابررسانا ماده‌ای است که در آن مقاومت الکتریکی صفر می‌شود و میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. به‌همین‌‌دلیل، ماده‌ی ابررسانا می‌تواند الکتریسیته را بدون هدررفت انرژی و ایجاد گرمای مازاد منتقل کند.

حرکت منظم الکترون‌ها به ایجاد جریان الکتریکی منجر می‌شود؛ اما مسئله این است که الکترون‌ها ذرات آزاد هستند و اساساً حرکت منظمی ندارند. در مواد رسانای معمولی مانند سیم‌های مسی که جریان برق را به خانه‌های ما منتقل می‌کنند یا طلا که در ساخت پردازنده‌ها استفاده می‌شود، بدون هدررفت نمی‌توان برق را منتقل کرد. الکترون‌ها حرکات نامنظمی دارند و همین امر باعث هدررفت انرژی و ایجاد گرمای مازاد می‌شود. دلیل اصلی گرم‌شدن وسایل الکترونیکی، مقاومت الکتریکی و هدررفت بخشی از انرژی است. با کاهش دمای محیط، سرعت حرکت الکترون و سایر ذرات بسیار کمتر می‌شود و حالا الکترون‌ها می‌توانند بدون سردرگمی و هدررفت انرژی در مسیری مشخص و ازپیش‌تعیین‌شده حرکت کنند. کاهش دمای محیط به کاهش چشمگیر هدررفت انرژی منجر می‌شود.

مقاومت الکتریکی صفر

در سال ۱۹۱۱، هایکه کامرلینگ اونس، فیزیک‌دان آلمانی، اولین ابررسانا را در قالب باتری «بدون هدررفت انرژی» کشف کرد. اونس در آن زمان مشغول انجام تحقیقات روی خواص الکتریکی جیوه (ماده‌ی به‌کاررفته در دماسنج) بود و دریافت که مقاومت الکتریکی جیوه در دمای منفی ۲۶۸٫۹۵ سلسیوس به‌طور کامل از بین می‌رود. گفتنی است مواد دیگری غیر از جیوه هم وجود دارند که با کاهش محسوس دما، مقاومت الکتریکی‌شان غیرفعال می‌شود. میزان کاهش دما برای از بین بردن مقاومت الکتریکی در هر ماده متغیر است.

سال‌ها پس از کشف پدیده ابر رسانایی، دانشمندان بر این باور بودند که این امر فقط در دماهای خیلی پایین پدیدار می‌شود. اما در سال 1986 دو دانشمند به نام‌های Georg Bednorz و Alex Müller که برای شرکت IBM کار می‌کردند، یک سرامیک (ماده‌ای شامل اکسیژن و مس) کشف کردند که می‌توانست در دمای بالاتری، در حدود منفی 238 درجه سانتیگراد از خود خاصیت ابر رسانایی نشان دهد. این کشف دانشمندان را ترغیب به جست‌وجو و ساخت ترکیباتی کرد که در دماهای بالاتری از خود خاصیت ابر‌ رسانایی نشان دهند. به طور مثال ترکیبی اکسید شده از جیوه، تالیوم، باریوم، کلسیوم و مس که در سال 1996 توسط دانشمندان کره‌ای کشف شد در دمای منفی 135 درجه سانتیگراد از خود خواص ابر رسانایی نشان می‌دهد. دستیابی به ابررساناهای سازگار با دما و فشار محیط، سود تریلیون‌دلاری به‌همراه خواهد داشت.

کشف ابررساناهای دما بالا انگیزه استفاده از ابر رسانا‌ها در صنعت و تکنولوژی به دلیل صرفه اقتصادی را دو چندان کرد. همان‌طور که پیش‌تر بیان شد، ابر رساناهای معمولی در دمایی نزدیک به صفر کلوین (مطلق) از خود خاصیت ابررسانایی نشان می‌دهند. رسیدن به این دما یا حتی نزدیکی آن صرف انرژی و هزینه‌ زیادی در بر دارد. به طور مثال برای سرد کردن آن‌ها به هلیوم مایع که بسیار گران قیمت است نیاز داریم. اما با کشف مواد ابررسانای دما بالا که در دمایی بین منفی 100 تا منفی 200 درجه سانتیگراد از خود خاصیت ابررسانایی نشان می‌دهند، می‌توان از نیتروژن مایع که ده برابر قیمت ارزان‌تری نسبت به هلیوم مایع دارد، برای سرد کردن آن‌ها استفاده کرد.

اثر مایسنر

در سال ۱۹۳۳، والتر مایسنر و رابرت اوکسنفلد کشف کردند که ابررساناها نه‌تنها انتقال انرژی بدون هدررفت را تسهیل می‌کنند؛ بلکه در‌برابر میدان‌های مغناطیسی بیرونی نیز از خود مقاومت نشان می‌دهند. به‌عبارت‌دیگر، ابررساناها هر میدان مغناطیسی مجاور را دفع می‌کنند. مواد ابررسانا میدان‌های مغناطیسی را دفع می‌کنند. با بهره‌گیری از این ویژگی می‌توان آهن‌رباهای دائمی ساخت.

کاربرد ابر رسانا

شاید بتوان گفت که دنیای مدرن امروزی، مدیون پیشرفت فیزیک الکتریسیته و مغناطیس است. امروزه کمتر وسیله‌ای در جهان ساخته می‌شود که شامل قسمت‌ باتری، سیم و مدارهای الکترونیکی نباشد. پس با ظهور و پیشرفت مواد ابر رسانا، حوزه‌ای که دچار بیشترین تحول می‌شود، صنعت مهندسی برق (فیزیک الکتریسیته و مغناطیس) خواهد بود. تصور کنید با از بین رفتن مقاومت الکتریکی، چه مقدار انرژی در بحث انتقال (خطوط برق)، مصرف کمتر انرژی در باتری‌ها، کامپیوترهای سریع‌تر و خنک‌تر و … ذخیره می‌شود.

در حال حاضر استفاده از ابر رساناهای معمولی موسوم به «ابر رسانای دما پایین» علی‌رغم داشتن هزینه بالا در عمل سرد کردن، در برخی کاربردهای خاص معمول‌تر است. چرا که هنوز تولید مواد ابر رسانای دما بالا در مقیاس بزرگ و صنعتی مشکل بوده و این مواد هنوز پایداری لازم را ندارند.

در حال حاضر از ابررساناهای دمای پایین در دستگاه‌های MRI استفاده می‌شود. برای سرد کردن آهنربای ابررسانا و سایر قطعات الکترونیکی به کار رفته در دستگاه‌های MRI از هلیوم مایع که یکی از گران‌ترین مواد جهان است استفاده می‌کنند. مثالی دیگر از تشکیل تصویر با امواج رادیویی، تلسکوپ‌های رادیویی هستند که تصویری از کهکشان‌های راه دور را تشکیل می‌دهند.

یکی دیگر از کاربردهای مغناطیسی ابر رساناها، استفاده در شتاب‌دهنده‌های (برخورد دهنده) بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider – LHC) است. شتاب‌دهنده‌ها برای مطالعه ذرات تشکیل دهنده هسته اتم‌ها (منظورمان ذرات سازنده پروتون و نوترون) از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند. از طریق اعمال میدان مغناطیسی بر ذرات بار‌دار، می‌توان به آن‌ها سرعت، شتاب و انرژی خیلی زیادی داد. وقتی که این ذرات با سرعت خیلی بالا به یکدیگر برخورد کنند، ساختار آن‌ها شکسته و ممکن است که ذرات جدید نمایان شوند. مطالعه این ذرات جدید در فیزیک ذرات بنیادی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. میدان مغناطیسی مذکور در شتاب‌دهنده توسط آهنرباهای ابر رسانا تامین می‌شود. به طور مثال در یک برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) بیش از 1000 قطعه آهنربای بزرگ از جنس «نئوبیدیوم-تیتانیوم» (Niobium-Titanium) که در دمایی نزدیک به صفر مطلق کار می‌کنند، به کار گرفته شده است. میدان مغناطیسی تولید شده توسط این آهنرباهای ابر رسانا بیش از 100,000 بار قوی‌تر از میدان مغناطیسی زمین و در حدود 8.3 تسلا (Tesla) است.

یکی دیگر از کاربردهای مغناطیسی هیجان‌انگیز ابر رسانا، طراحی و ساخت قطار شناور روی هوا است. در واقع میدان مغناطیسی قوی حاصل از آهنرباهای ابر رسانا، قطار را در حدود چند سانتی‌متر از روی ریل بلند می‌کند. احتمالا سرعت این مدل قطارها در نمونه به کار رفته در ژاپن (سرعتی نزدیک به 375 کیلومتر در ساعت) به گوشتان خورده است.

کاربردهای الکتریکی

شاید تنها خاصیت مقاومت الکتریکیِ بالا استفاده از آن در بخاری‌های برقی (داغ شدن اِلمنت) باشد. همان‌طور که در ابتدای این مقاله بارها اشاره کردیم، مقاومت الکتریکی بسیار پایین و یا حتی صفر، مزایای خیلی زیادی برای دستگاه‌های الکترونیکی و خطوط انتقال برق دارد. در صورت همه‌گیر شدن ابررساناهای دما بالا و استفاده از آن‌ها در خطوط انتقال برق، انرژی بسیار زیادی ذخیره می‌شود. در واقع دیگر نیازی به استفاده از ولتاژهای بالا برای انتقال برق از طریق خطوط انتقال نیست. همچنین استفاده از تکنولوژی ابررسانا در تراشه‌ها، به دلیل آزادی عمل بیشتر الکترون‌ها، سرعت زیاد تراشه‌ها را به ارمغان می‌آورد.

یکی از کاربردهای مهم الکترونیکی ابررساناها، ساخت اتصالات جوزفسون برای طراحی گیت‌های منطقی و تحقق کامپیوترهای کوانتومی است. اثر اتصالات جوزفسون به این گونه است که الکترون‌ها در یک ابر رسانا به یک ابررسانای دیگر که توسط لایه‌ای نازک از یکدیگر جدا شده‌اند، تونل‌زنی می‌کنند. کامپیوتر کوانتومی ساخت شرکت کانادایی D-Wave یکی از پیشروهای صنعت کامپیوترهای کوانتومی است که از اتصالات جوزفسون برای پیاده‌سازی کیوبیت‌ها استفاده کرده است.

منبع: زومیت و فرادرس