Die moderne Welt wird mit Strom betrieben, und Kabel transportieren diesen Strom zu jedem Licht, Fernseher, Heizsystem, Mobiltelefon und Computer auf dem Planeten. Leider im Durchschnitt ca 5% der in einem Kohle- oder Solarkraftwerk erzeugten Energie geht verloren, wenn die Elektrizität von der Anlage zu ihrem endgültigen Bestimmungsort transportiert wird. Dies beläuft sich auf a 6 Milliarden US-Dollar Verlust jährlich allein in den USA.
Seit Jahrzehnten sind Wissenschaftler Entwicklung von Materialien, die als Supraleiter bezeichnet werden die Strom mit nahezu 100 % Wirkungsgrad übertragen. Ich bin Physiker der untersucht, wie Supraleiter auf atomarer Ebene funktionieren, wie Strom bei sehr tiefen Temperaturen fließt und wie sich Anwendungen wie Levitation realisieren lassen. Kürzlich haben Forscher erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von Supraleitern gemacht, die funktionieren können relativ normale Temperaturen und Drücke.
Um zu verstehen, warum diese jüngsten Fortschritte so aufregend sind und welche Auswirkungen sie auf die Welt haben könnten, ist es wichtig zu verstehen, wie supraleitende Materialien funktionieren.
Ein widerstandsfreies Material
Ein Supraleiter ist ein Material, das Elektrizität leitet, ohne dem Fluss des elektrischen Stroms einen Widerstand entgegenzusetzen.
Dieses widerstandsfreie Attribut von Supraleitern steht in dramatischem Kontrast dazu Standardleiter aus Elektrizität – wie Kupfer oder Aluminium – die sich erwärmen, wenn Strom durch sie fließt. Dies ähnelt dem schnellen Gleiten Ihrer Hand über eine glatte, glatte Oberfläche im Vergleich zum Gleiten Ihrer Hand über einen rauen Teppich. Der Teppich erzeugt mehr Reibung und damit auch mehr Wärme. Elektrische Toaster und Glühlampen älterer Bauart verwenden Widerstand, um Wärme und Licht zu erzeugen, aber Widerstand kann auftreten Probleme für die Elektronik. Der Widerstand von Halbleitern liegt unter dem von Leitern, ist aber immer noch höher als der von Supraleitern.
Eine weitere Eigenschaft von Supraleitern ist, dass sie Magnetfelder abstoßen. Sie haben vielleicht schon Videos von dem faszinierenden Ergebnis dieses Effekts gesehen: Es ist möglich, Magnete über einem Supraleiter schweben zu lassen.
Wie funktionieren Supraleiter?
Alle Supraleiter bestehen aus elektrisch neutralen Materialien, das heißt, ihre Atome enthalten negativ geladene Elektronen, die einen Kern mit einer gleichen Anzahl positiv geladener Protonen umgeben.
Supraleitende Materialien stoßen Magnetfelder ab, wodurch es möglich wird, einen Magneten über einem Supraleiter schweben zu lassen.
Wenn Sie ein Ende eines Drahts an etwas anschließen, das positiv geladen ist, und das andere Ende an etwas, das negativ geladen ist, möchte das System ein Gleichgewicht erreichen, indem es Elektronen bewegt. Dadurch versuchen die Elektronen im Draht, sich durch das Material zu bewegen.
Bei normalen Temperaturen bewegen sich Elektronen auf etwas unberechenbaren Bahnen. Es gelingt ihnen im Allgemeinen, sich frei durch einen Draht zu bewegen, aber hin und wieder kollidieren sie mit den Kernen des Materials. Diese Kollisionen behindern den Elektronenfluss, verursachen Widerstand und erhitzen das Material.
Die Kerne aller Atome schwingen ständig. In einem supraleitenden Material werden die sich bewegenden Elektronen, anstatt wahllos herumzuflitzen, so von Atom zu Atom weitergegeben, dass sie sich halten synchron mit den schwingenden Kernen. Diese koordinierte Bewegung erzeugt keine Kollisionen und somit keinen Widerstand und keine Hitze.
Je kälter ein Material wird, desto organisierter wird die Bewegung von Elektronen und Kernen. Deshalb arbeiten bisherige Supraleiter nur noch extrem niedrige Temperaturen.
Vorteile für die Elektronik
Wenn Wissenschaftler ein bei Raumtemperatur supraleitendes Material entwickeln könnten, wären Drähte und Schaltkreise in der Elektronik viel effizienter und erzeugen deutlich weniger Wärme. Die Vorteile davon wären weit verbreitet.
Wenn die zur Stromübertragung verwendeten Drähte durch supraleitende Materialien ersetzt würden, könnten diese neuen Leitungen bis zu fünfmal so viel Strom effizienter transportieren als aktuelle Kabel.
Die Geschwindigkeit von Computern wird hauptsächlich dadurch begrenzt, wie viele Drähte in einen einzigen Stromkreis auf einem Chip gepackt werden können. Die Dichte der Drähte ist oft durch Abwärme begrenzt. Wenn Ingenieure supraleitende Drähte verwenden könnten, könnten sie viel mehr Drähte in einen Schaltkreis einbauen, was zu schnellerer und billigerer Elektronik führt.
Schließlich könnte mit Raumtemperatur-Supraleitern die Magnetschwebebahn genutzt werden allerlei Anwendungenvon Zügen bis zu Energiespeichern.
Mit aktuelle Fortschritte mit spannenden Neuigkeitensind sowohl Forscher, die sich mit der Grundlagenphysik der Hochtemperatur-Supraleitung befassen, als auch Technologen, die auf neue Anwendungen warten, aufmerksam.
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