„Coolové“ supravodivé materiály

Jav supravodivosti bol objavený celkom náhodne. Na začiatku 20. storočia niektorých vedcov zaujímalo, či bude elektrický odpor čistých prvkov klesať so znižujúcou sa teplotou tak, že zanikne pri ochladení na teplotu absolútnej nuly (0 K alebo –273,15 °C). Nuž na sklamanie mnohých nezanikol, ale prekvapením bolo správanie niektorých prvkov, ktorých elektrický odpor vymizol celkom náhle už skôr, ako tú teplotnú nulu stihli nadobudnúť. Teplota, pri ktorej dochádza ku skokovej zmene elektrického odporu na nemerateľnú (nulovú) hodnotu, inými slovami materiál sa stáva supravodičom, sa nazýva kritickou a označuje sa T_c.

Prvý objavený supravodič bol čistý prvok – ortuť. Približne až tretina chemických prvkov periodickej tabuľky je pri normálnom tlaku supravodivá. Ich kritické teploty sa pohybujú od niekoľkých stotín kelvinov po 9 K pre niób. Zaujímavé je, že najlepšie bežné vodiče, ako je meď, striebro a zlato, supravodivé nie sú. Technické využitie prvkových supravodičov prakticky neexistuje. Okrem nízkej kritickej teploty a s tým spojeným nákladným chladením majú ďalšiu nelichotivú vlastnosť. Dokážu zniesť pôsobenie len minimálnych magnetických polí (B_c < 0,1 T), čo je pre väčšinu aplikácií neprípustné. V tomto ohľade sú oveľa zaujímavejšie kombinácie viacerých prvkov, najmä vo forme zliatin a chemických zlúčenín, dokonca i takých, pri ktorých by elektrickú vodivosť predtým nikto nečakal.

Zliatina nióbu a titánu je celosvetovo najrozšírenejší materiál na výrobu supravodivých kompozitných drôtov predovšetkým pre jej mechanické vlastnosti typické pre kov a nenáročné spracovanie. Vďaka nulovému elektrickému odporu môže týmto drôtom prechádzať elektrický prúd niekoľko stoviek ampérov bez toho, aby sa ohrieval. Medený vodič by sa na porovnanie za rovnakých podmienok prehrial tak, že by sa úplne odparil. Pri ďalších perspektívnych supravodivých materiáloch nemáme také šťastie ako so zliatinou Nb-Ti, pretože ich mechanické vlastnosti sa blížia viac ku keramickým ako ku kovovým materiálom. To samozrejme komplikuje preferovaný jednoduchý spôsob výroby flexibilného vodiča. Drôty z intermetalickej krehkej zlúčeniny Nb3Sn sa pripravujú tzv. technológiou „prášok v rúrke“. Zmes nióbového a cínového prášku sa nasype do tenkostennej medenej rúrky a nechá sa objemovým tvárnením natiahnuť na tenučké vlákno. Stovky vlákien vytvoria kompozitné drôty a tie potom treba združiť do kábla a formovať na požadovaný tvar hotového zariadenia, napr. cievky. Supravodič vznikne až v konečnom štádiu procesu, a to chemickou reakciou pri teplote vyššej ako 1 000 °C. Hierarchickú štruktúru Rutherfordovho supravodivého kábla z Nb₃Sn možno vidieť na obr. 1. Podobne je to aj so supravodičom MgB₂. Nevýhoda komplikovanejšej technológie je vyvážená lepšími vlastnosťami supravodičov, ako je podstatne vyššia kritická teplota či hodnota magnetickej indukcie, ktorú sú spôsobilé zniesť v supravodivom stave.

Éru keramických supravodičov odštartoval objav chemickej zlúčeniny na báze lantánu, medi, bária a kyslíka v roku 1986. Keďže tento typ materiálov má podstatne vyššiu kritickú teplotu, viac ako –180 °C, sčasti sa odbúrali komplikácie s chladením prostredníctvom veľmi prchavého tekutého hélia a začalo sa chladiť lacnejším a prevádzkovo jednoduchším tekutým dusíkom. Z toho dôvodu sa tieto materiály s obľubou označujú ako vysokoteplotné supravodiče. Ostatné supravodiče, ktorým tekutý dusík nestačí na schladenie, dostali pomenovanie nízkoteplotné. Hlavnou výhodou vysokoteplotnej supravodivej keramiky je možnosť prenosu vysokých prúdov malým prierezom vodiča, pričom si túto vlastnosť dokážu zachovať aj po vložení do magnetických polí s hodnotami B_c > 95 T. Nevýhodou však stále zostáva ich pomerne vysoká obstarávacia cena, ktorá sa pohybuje na úrovni desiatok eur za meter.

Keramické supravodiče Bi₂Sr₂CsCu₂O_8+x a YBa₂Cu₃O_7-x sa vyrábajú vo forme pások, ale v technológii ich prípravy sú značné rozdiely. Bi₂Sr₂CsCu₂O_8+x sa často označuje skratkou BSCCO podľa začiatočných písmen chemických prvkov v jeho zložení alebo tiež ako vysokoteplotný supravodič 1. generácie. V procese výroby je východiskovou surovinou BSCCO vo forme prášku, ktorý sa sype do strieborných rúrok, čiže sme opäť pri technológii „prášok v rúrke“. Desiatky združených rúrok sa viacnásobným valcovaním a žíhaním spracujú tak, že sa dosiahne veľmi tenká a flexibilná páska. Žiaľ, už sa dá tušiť, že výroba je náročná na spotrebu striebra, čím sa nelichotivo podpísala na koncovej obstarávacej cene. Navyše k tomu kritická teplota BSCCO pri vyššej intenzite magnetického poľa rýchlo klesá pod úroveň teploty tekutého dusíka, ako je zobrazené v diagrame na obr. 2, čím sa stráca aj výhoda lacného chladenia. Verdikt ústupu supravodiča BSSCO do úzadia spečatil medzitým technologicky čoraz lepšie zvládnuteľný YBa₂Cu₃O_7-x, predstaviteľ vysokoteplotných supravodičov 2. generácie. Dôvodom, prečo k tomu nedošlo skôr, je vysoká citlivosť zlúčeniny na usporiadanosť štruktúry, ktorá výrazne ovplyvňuje supravodivé vlastnosti. Supravodivý prúd totiž prednostne tečie len v určitých rovinách kryštálovej mriežky s tým, že dezorientácia zŕn v štruktúre väčšia ako 5° spôsobí exponenciálny pokles kritického prúdu. V praxi to znamenalo potrebu vyrobiť silne textúrovaný, takmer monokryštalický materiál. To je možné vo forme iba 1 až 3 µm tenkej vrstvy, ktorá sa nanáša procesmi fyzikálnej alebo chemickej depozície z pár na ako vlas hrubý kovový a nemagnetický substrát z niklovej zliatiny alebo austenitickej ocele. Požadovanú kryštálovú orientáciu supravodiča zabezpečí buď už vopred textúrovaná podložka, alebo séria tenučkých medzivrstiev s dokonalou textúrou na vrchu, nanesených na polykryštalickom substráte (obr. 1). Prvok ytria v chemickom zložení YBa₂Cu₃O_7-x možno mimochodom nahradiť viacerými prvkami zo skupiny prvkov vzácnych zemín, preto sa udomácnil skrátený názov REBCO (z ang. RE – rare earth element, B – barium, C – copper, O – oxygen).

Všetky supravodiče uvedené v tabuľke sú tzv. supravodiče II. typu. Pri týchto, na rozdiel od supravodičov I. typu (prevažne čisté prvky), nie je externé magnetické pole vytláčané supravodičom z jeho objemu úplne, ale dokáže cezeň penetrovať prostredníctvom tzv. tokotrubíc. Týmto spôsobom je supravodič schopný zniesť pôsobenie oveľa vyšších magnetických polí, čo je dobrá správa pre praktické aplikácie.

Tab. 1 Najznámejšie supravodivé materiály

Všeobecne najrozšírenejším použitím supravodičov je zhotovenie elektromagnetov. Káble zo špirálovito stočených Nb-Ti a Nb₃Sn drôtov tvoria napr. elektromagnety vo veľkom hadrónovom urýchľovači v CERN-e pri Ženeve. Silné magnetické pole potrebné na manipuláciu s časticami je vytvárané 7 600 km kábla zloženého z kompozitných drôtov dlhých až 240 000 km [1]. Podobne silné magnetické pole sa vyžaduje na naštartovanie a udržanie horúcej plazmy vo fúznom nukleárnom reaktore, ktorý sa v súčasnosti buduje v rámci medzinárodného experimentálneho projektu ITER vo francúzskom Cadarache. To sú vedecké projekty, ktorých realizácia by bola bez supravodičov prakticky nemožná. Iná zaujímavá aplikácia nízkoteplotných supravodičov sprístupnená už radovému občanovi je vlak typu MagLev využívajúci magnetickú levitáciu – sprievodný jav supravodivosti. Dokáže ísť rýchlosťou 600 km/h vďaka zníženiu trenia s koľajnicami, nad ktorými sa vznáša zatiaľ len v Japonsku a Číne. Mimochodom, použitie vysokoteplotných supravodičov a vákuového tunela by umožnilo zvýšiť rýchlosť až na 800 km/h [2]. No zostaňme ešte pri nízkoteplotných supravodičoch a spomeňme ich azda najbežnejšiu aplikáciu: zobrazovacie zariadenie pomocou magnetickej rezonancie (MRI). Silné magnetické pole vytvárané supravodivými cievkami v ňom slúži na zvýšenie citlivosti prístroja. Výsledkom je presná a neinvazívna medicínska diagnostika. Ďalšia generácia týchto zariadení by mohla mať cievky z MgB₂ drôtov [3].

Distribúcia elektrickej energie z elektrárne k spotrebiteľovi prostredníctvom bežných vodičov má vďaka ich odporu nežiaduce tepelné straty. Vybudovať novú rozvodnú sieť zo supravodivých materiálov bez strát je zatiaľ neefektívne pre vysoké prevádzkové náklady navýšené o chladenie. Avšak v niektorých prípadoch je podzemné vedenie pomocou supravodivého kábla s malými rozmermi výhodnejšie ako klasická stĺpová rozvodná sieť. Príkladom sú BSSCO prenosové káble inštalované v husto obývaných mestách v dĺžke do 1 km. V nemeckom Essene tečie v supravodivom kábli s priemerom 15 cm rovnaké množstvo prúdu pri napätí 10 kV ako predtým pri 110 kV [4]. Rozmery rozvodne porovnateľnej so športovou halou sa pritom mohli redukovať na veľkosť dvojgaráže. Ak veľkosť prúdu presiahne kritickú hodnotu, supravodič rýchlo prejde do nesupravodivého stavu a zvýšením odporu dokáže účinne ochrániť elektrický obvod pred účinkami skratu. Táto vlastnosť sa využíva v obmedzovači skratových prúdov vyrobenom z vysokoteplotného supravodiča, ideálneho materiálu na tento účel kvôli okamžitej odozve. Istý podiel supravodičov na ekologicky prijateľnej výrobe elektrickej energie nie je len v oblasti fúznych reaktorov, ale aj v oblasti veterných elektrární. Supravodivé veterné turbíny sú výkonnejšie, ľahšie a objemovo menšie. To sa dá povedať aj o ostatných aplikáciách využívajúcich rotory, či sú to priemyselné, letecké alebo lodné motory. Len na porovnanie: supravodivý lodný motor vyhotovený americkou spoločnosťou AMSC v roku 2009 je 150-násobne výkonnejší ako jeho medená verzia. Pri rovnakom výkone sa hmotnosť supravodivého motora zredukuje z 300 na 75 ton [5] a to je v dopravnom priemysle zaujímavý výsledok.

Prehľad aplikácií, ktoré si supravodiče osvojili, je na obr. 3. Patria k ním aj malé supravodivé kvantové interferenčné zariadenia (SQUID) veľmi citlivé na meranie slabých magnetických polí. Sú schopné merať magnetické polia až 5 x 10^-18 T, čo sa využíva vo výskume, v biologických štúdiách (meranie signálov v ľudskom mozgu) a iných ultracitlivých magnetických meraniach, kde nestačia komerčné prístroje. SQUID je skonštruovaný zo slučky zvyčajne nízkoteplotného supravodiča, obsahujúcej jeden alebo viacero Josephsonových prechodov, čo nie je nič iné ako dva supravodiče prepojené tenkou izolačnou bariérou. S Josephsonovými prechodmi sa počíta aj v supravodivých obvodoch počítačových mikročipov, ktoré by boli 100 000-krát energeticky účinnejšie ako dnešné mikročipy, čo znamená 100-násobné zvýšenie celkovej energetickej účinnosti. To je atraktívna vlastnosť vzhľadom na zvyšujúcu sa spotrebu energie dátových centier, ktoré poháňajú najnavštevovanejšie internetové stránky. Supravodivé mikročipy sľubujú tiež väčší výpočtový výkon. Boli by taktované na 770 GHz, čo je 150-násobok rýchlosti dnešného mikročipu CMOS [6]. Čipy s Josephsonovými prechodmi sú zatiaľ príliš veľké, pretože zmenšenie ich veľkosti je šesť desaťročí za štandardnými mikročipmi. Kým mikročip CMOS obsahuje miliardy tranzistorových spojov, supravodivý ich môže mať nie viac ako 100 000. Minulý rok firma IBM predstavila zatiaľ najvýkonnejší supravodivý kvantový počítač. Má 127-qubitový (zo slov kvantový bit) procesor. Aj keď firma plánuje zhotoviť 400-qubitový procesor v tomto roku a 1 000-qubitový procesor o rok neskôr [7], predsa len na superrýchly supravodivý počítač si ešte nejaký ten čas počkáme.

Materiál, ktorý by mal supravodivé vlastnosti za bežných izbových podmienok, sa zatiaľ nenašiel. Rovnako otázka týkajúca sa princípu vysokoteplotnej supravodivosti je stále nezodpovedaná. Vedci v tejto oblasti majú preto čo robiť a veria, že supravodivé materiály raz spôsobia technickú revolúciu.

Táto práca vznikla vďaka Agentúre na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-20-0056.

Literárne zdroje

[1] Adam, J. D. a kol.: Status of the LHC superconducting cable mass production. MT17 Conference in Geneva (2002), s. 1 – 7.

[2] Sujay, J. a kol.: A research review on magnetic levitation trains. Int. J. Appl. Eng. Res. 10 (2015), s. 28 808 – 28 814.

[3] Minervini, J. a kol.: Recent advances in superconducting magnets for MRI and hadron raiotherapy: an introduction to „Focus on superconducting magnets for handron therapy and MRI“. Supercond. Sci. Technol. 31 (2018), č. 030301.

[4] Stemmle, M. a kol.: AmpaCity – advanced superconducting medium voltage system for urban area power supply. 2014 IEEE PES T&D Conference and Exposition (2011), s. 1 – 5.

[5] Gamble, B. a kol.: Full power test of a 36.5 MW HTS propulsion motor. IEEE Trans. Appl. Supercond. 21 (2014), s. 1 083 – 1 088.

[6] Johnson, R. C.: The outlook for superconduting computers, Communication of the ACM. [online]. Publikované 30. 10. 2018. 

[7] Sparkes, M.: IBM creates largest ever superconducting quantum computer. NewScientist. [online]. Publikované 15. 11. 2021. 

Dr. Ing. Marcela Pekarčíková
Bc. Simona Hulačová
Materiálovotechnologická fakulta STU v Trnave
Ústav materiálov
marcela.pekarcikova@stuba.sk