Supravodivost - naděje pro 21. století

Jednou z nejslibnějších a nejatraktivnějších oblastí dnešní fyziky je nesporně supravodivost. Přestože byla tato podivná vlastnost pevných látek objevena již na začátku dvacátého století, trvalo mnoho desítek let, než ji bylo možné využít v praxi. Dnes se již ročně vyrábí desítky tisíc tun supravodivého materiálu, ale skutečný den D pro supravodivost je teprve před námi. Materiály, které se v praxi používají, jsou totiž vesměs tzv. nízkoteplotní supravodiče, jejichž provoz je značně nákladný. V mnoha ohledech výhodnější jsou tzv. vysokoteplotní supravodiče, jejichž výzkum začal teprve nedávno.

Začněme však od začátku. Co to je supravodivost a jak se projevuje? Každý dobře ví, že kovové materiály jsou většinou dobré elektrické vodiče, to znamená, že na rozdíl od izolantů dobře vedou elektrický proud. Je také všeobecně známo, že průchodem proudu vodičem vzniká teplo. Toto teplo je tím větší, čím vyšší je procházející proud a čím vyšší je tzv. měrný odpor vodiče. Některé slitiny kovů mají vysoký měrný odpor (např. kanthal, nichrom apod.) a jsou proto vhodné do různých topných zařízení, jiné vodiče (např. měď, stříbro, zlato, hliník aj.) mají nízký měrný odpor a používají se proto pro rozvod elektrické energie. Přestože je jejich měrný odpor nízký, stačí k tomu, aby se na něm ztratila ve formě tepla až třetina procházející elektrické energie. To je velmi nepříjemné. Bylo by výhodné najít materiál, který by měl měrný odpor nepatrný nebo nulový. Takovým materiálem je právě supravodič.

Doposud známé materiály vykazující supravodivé vlastnosti se do supravodivého stavu dostávají jen v nízkých teplotách, hluboko pod teplotou pokojovou. Teplotu, při níž se daná látka stává supravodivou, nazýváme kritickou teplotou a ta je charakteristická pro daný materiál. Když daný materiál ochlazujeme, jeho měrný odpor postupně klesá a při kritické teplotě najednou prudce, skokem, spadne na nulu. Pod kritickou teplotou je už materiál supravodivý a neklade průchodu proudu žádný odpor. Můžeme proto do cívky z takového materiálu zapnout proud, poté zdroj proudu odpojit a zavedený proud teče cívkou po velmi dlouhou dobu (i několik let) beze změny. Protože proud budí v okolí vodiče magnetické pole, je supravodivá cívka zdrojem magnetického pole. To je princip supravodivého magnetu, který se využívá všude tam, kde potřebujeme vysoké magnetické pole a máme k dispozici potřebné chladící médium.
 

Obr. 1. Porovnání konvenčního elektromagnetu (černé velké cívky nahoře) se supravodivým magnetem (vlevo dole v bílém rámečku). Při stejném proudu 100 A dává elektromagnet pole 2T, zatímco supravodivý magnet dává ve srovnatelném objemu pole 5 T.

Zásadní výhodou supravodivých magnetů je to, že díky nulovému měrnému odporu supravodivého materiálu je možné pro bezpečný průchod relativně vysokého proudu použít mnohem tenčí vodič než by byl potřeba u klasické cívky. Můžeme proto do relativně malého průřezu cívky vtěsnat velké množství závitů.

Protože magnetické pole cívky je úměrné počtu tzv. ampérzávitů, tj. násobku proudu a počtu závitů cívky, umožňuje obrovský počet supravodivých závitů podstatně snížit potřebný proud oproti klasickým magnetům. Je tak možné s  proudy několika desítek ampérů vytvořit magnetické pole řádu několik tesla, které by při využití klasických postupů vyžadovalo malou elektrárnu. Na obrázku 1 je vidět rozdíl v rozměrech klasické a supravodivé cívky, které vytvářejí při stejném proudu 100 A srovnatelné magnetické pole. Malý supravodivý magnet dokonce vytváří pole více než dvakrát vyšší, přitom experimentální prostor je v obou případech podobný, několik desítek krychlových centimetrů. 

Supravodivé magnety se dnes používají např. v urychlovačích elementárních částic, v laboratořích pro výzkum magnetických vlastností materiálů, ale i v lékařství, např. v magnetickém rezonančním tomografu, jednom z nejšetrnějších vyšetřovacích zařízení dnešní doby. V průmyslu se používají např. pro magnetickou úpravu vody a další magnetické separační procesy. 

Začali jsme však u výhod nulového měrného odporu pro rozvod elektrické energie. Tato výhoda tu nesporně je, ale vzhledem k nákladům na nutné chlazení supravodivého kabelu není zatím její využití ekonomické. Velké naděje se v tomto směru vkládají do tzv. vysokoteplotních supravodičů. Zatímco klasické, nízkoteplotní, supravodiče jsou čisté kovy a jejich slitiny (jsou supravodivé při teplotách pod 23 K a musejí se proto chladit kapalným heliem, bod varu 4.23 K), tzv. vysokoteplotní supravodiče mají kritické teploty v průměru okolo 90 K, některé až 136 K, tedy nad teplotou kapalného dusíku (bod varu 78 K). Kapalný dusík je navíc relativně levná chladící kapalina. Příroda nám však nedá nic zadarmo: jak už bylo řečeno, klasické supravodiče jsou kovy, jako takové jsou dobře mechanicky tvárné a výroba vodičů z nich není problém. Vysokoteplotní supravodiče jsou vesměs velmi křehké keramické materiály a technologie výroby vodičů z nich je velmi náročná. V současné době se prosazují dvě cesty, jak obejít křehkost těchto materiálů, a to jednak válcováním polykrystalického materiálu ve stříbrné matrici (kapiláře), jednak napařováním nebo chemickým nanášením tenkých monokrystalických vrstev supravodičů na ohebné podložky ve formě dlouhého pásku. Dnešní technologie umožňuje vyrobit supravodivé pásky až do maximální délky asi 1,5 km. Přestože se už laboratorně testují první cívky vyrobené z takovýchto vodičů, cesta k ekonomickému využití v běžné praxi je ještě dlouhá. 

Jiným příkladem aplikace supravodičů může být tzv. supravodivá levitace. Je to něco podobného, jako když vezmeme dva permanentní magnety a umístíme je shodnými póly nad sebe. Ten horní se v důsledku odpudivých sil vznáší nad tím spodním. Pravda, jen nepatrný okamžik, protože při nejbližší příležitosti se otočí k tomu spodnímu opačným pólem a je k němu přitažen. Taková poloha je totiž nestabilní a levitace magnetu by byla možná jen při zajištění vzájemné polohy magnetů nějakým vnějším zásahem, například umístěním do trubice, která by zabránila jejich otočení. 

U supravodivé levitace se využívá elektromagnetické indukce a nulového měrného odporu supravodiče. V každém materiálu, který vložíme do magnetického pole, se indukují vířivé stínící proudy, které se snaží odstínit vnější magnetické pole z objemu materiálu. Čím má materiál vyšší měrný odpor, tím větší teplo vířivé proudy v jednotkovém objemu produkují. V důsledku tepelných ztrát jsou pak tyto proudy utlumeny a magnetické pole pronikne do objemu materiálu. Konečný stav je vidět na obrázku 2. Supravodič má nulový měrný odpor, tepelné ztráty jsou v něm nulové a vložíme-li ho do magnetického pole, indukované stínící proudy na jeho povrchu se netlumí a vnější magnetické pole je uvnitř supravodiče dokonale odstíněno. Vnější pole se v důsledku povrchových proudů zdeformuje, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obr. 2. Nesupravodivý materiál vložený do magnetického pole. Pole jím volně proniká.

Obr. 3. Supravodivý materiál vložený do magnetického pole
se snaží zachovat ve svém objemu původní stav (bez pole)
a proto vnější pole ze svého objemu vypuzuje.

Jak to souvisí s levitací? Podívejme se na další dvojici obrázků. Na obr. 4 je vidět průřez permanentním magnetem a siločáry magnetického pole v jeho okolí. Když do pole tohoto magnetu vložíme “supravodič”, jehož teplota je vyšší než teplota kritická (a je proto v nesupravodivém stavu), elektromagnetickou indukcí se na jeho povrchu vybudí stínící proudy, které se však v důsledku konečného měrného odporu rychle utlumí a magnetické pole pronikne do objemu materiálu (obr. 5). Když pak “supravodič” ochladíme pod kritickou teplotu, stane se supravodivým. Při přechodu přes kritickou teplotu nedochází ke změně magnetického pole v oblasti supravodiče, stínící proudy na jeho povrchu se proto nevybudí a magnetické pole v supravodiči “zamrzne” ve stavu, jaký byl před ochlazením.

Ve skutečnosti magnetický tok neprochází přímo supravodivým materiálem, ale mikroskopickými kanály, které zůstávají v nesupravodivém stavu. Tyto kanály nazýváme vortexy nebo “česky” supravodivé víry. Na jejich obvodu tečou stínící proudy, které supravodivý materiál stíní od magnetického toku v jádru vortexu. Každý supravodivý vír nese jednu nebo více elementárních jednotek, tzv. kvant magnetického toku.

Při jakékoliv změně vnějšího magnetického pole, tedy nejen zvýšení, ale i snížení a dokonce i při změně orientace nebo rozložení, dojde k vybuzení stínících proudů na povrchu supravodiče, jejichž účinkem se supravodič snaží vykompenzovat danou změnu.

Obr. 4. Permanentní magnet a magnetické pole v jeho okolí.

Obr. 5.Supravodič nad kritickou teplotou vložený do pole permanentního magnetu.

Obr. 6. Permanentní magnet levitující nad blokem vysokoteplotního supravodiče
YBa₂Cu₃O₇ zchlazeným pod kritickou teplotu tekutým dusíkem.

Obr. 7. Dívka levitující nad systémem supravodivých bloků podobných těm na předcházejícím obrázku.

V důsledku toho, ať pohneme permanentním magnetem jakýmkoliv směrem, je magnet tažen zpět do své původní polohy. Visí tedy v jakési magnetické kapse, ze které není snadné uniknout. Je to pravý opak situace s dvěma permanentními magnety. Nejenže se může magnet vznášet nad supravodičem, jak ukazuje obrázek 6, ale stejně může i viset pod ním. Dokud je supravodič chlazen, je tento stav stálý. Vzájemná poloha magnetu a supravodiče je do té míry stabilní, že magnet unese i značnou zátěž. Pokud umístíme podobné zařízení do vakua, kde odpadá tření o vzduch, a použijeme magnet rotačně dokonale symetrický (nejen svými rozměry, ale i tvarem magnetického pole), pak při roztočení magnetu získáme bezeztrátové ložisko nebo, chcete-li, setrvačník. Stejného principu se využívá v supravodivém motoru. Setrvačníky tohoto typu se dnes vyvíjejí pro stabilizaci polohy družic. Teplota ve vesmíru je totiž příhodně nízká, takže odpadá starost o chlazení supravodiče. Ke stabilizaci polohy dochází v důsledku sil, které vznikají při odchýlení osy otáčení setrvačníku z původního směru. Setrvačníky obřích rozměrů s velkou hmotností jsou pak potencionálním zásobníkem kinetické energie, kterou je možné ve vhodný okamžik převést na energii elektrickou a zásobovat tak např. vesmírnou stanici.

Obr. 8. Průřez vagónem MagLevu a kolejištěm ve tvaru písmene U.
Na bocích vagónu jsou znázorněny supravodivé cívky interagující s cívkami na kolejišti.

Obr. 9. MagLev při jízdě na testovací trati Yamanashi při rychlosti asi 200 km/hod.

Trochu jinak se supravodivosti využívá u magneticky levitujícího vlaku, nazývaného MagLev (obrázek 9). Ten má na bocích svých vagónů supravodivé cívky vytvářející vysoké magnetické pole (obrázek 8). Toto pole indukuje při pohybu vlaku elektrické proudy v měděných cívkách na bocích “kolejiště”. Magnetické pole, které tyto proudy vytvářejí, interaguje s magnetickým polem supravodivých cívek tak, že se vlak vznáší dostatečně vysoko nad zemí. Takovýto vlak jezdí rychlostmi okolo 500 km za hodinu – současný rekord je 563 km/hod. Supravodivé cívky jsou vyrobeny z klasických supravodičů, musejí se chladit kapalným heliem a provoz je proto velmi drahý. V budoucnosti se počítá s nahrazením supravodivých cívek permanentními magnety z vysokoteplotních supravodičů, které jsou pro tento účel intenzívně vyvíjeny.

Možností využití supravodivosti je obrovské množství, od superrychlých supravodivých přechodů – základu budoucích počítačů, až po vysokoproudé transformátory, přerušovače proudu v elektrárnách nebo obří lodi s magneto-hydro-dynamickým pohonem. Stovky těchto aplikací jsou ve stadiu laboratorních zkoušek a další čekají na svou šanci.

Pro masové využití supravodivosti v našem životě je nutné najít především levné technologické postupy výroby, případně objevit nové materiály s ještě výhodnějšími elektrickými a především mechanickými vlastnostmi než mají ty současné. Kromě pokroku v technologii je k tomu potřeba pochopit i principy, na kterých je supravodivost v nových materiálech založena. To je úkol nejbližších let a je možné, že čeká i na někoho z vás.