Search this site or the web powered by FreeFind

Site search Web search

Technologia Chemiczna

Interaktywny Podręcznik Internetowy

dr Jerzy Król-Bogomilski

PAN ADMIRAŁ ZAGADEK

Zadaje zagadki chemiczne i rozwiązuje je.

Czym jest technologia chemiczna

Chemia procesu technologicznego

...

Nadprzewodnictwo i jego przemysłowe zastosowania

Zagadki i zadania sprawdzające i utrwalające wiedzę;
rozwiąż dopiero po przeczytaniu tego rozdziału!

Nadprzewodnictwo i jego przemysłowe zastosowania

Nadprzewodnictwo a technologia chemiczna

Czy nadprzewodnictwo jako zjawisko i jego zastosowania przemysłowe należą do zakresu badań, którym powinna się interesować technologia chemiczna?
Czas to pokaże.
Wielu chemikom technologia chemiczna kojarzy się z dymiącymi kominami i cysternami, piecami i kopalniami.
Nie będę w to wchodzić. Postanowiłem umieścić ten rozdział z uwagi na jego perspektywy i zainteresowanie, z którym się nadprzewodnictwo spotyka.

Nadprzewodnictwo nie jest wyjątkiem, ale regułą w świecie otaczającej nas materii.

Zastosowanie tego zjawiska, polegającego na zaniku oporu elektrycznego przewodników w pewnych warunkach prowadzi do znacznego zmniejszenia zużycia energii, a nawet niekiedy do prawie całkowitej eliminacji jej zużycia na jednostkę produktu.

Po uświadomieniu sobie obu tych faktów łatwiej się pogodzić z faktem, że technologia chemiczna nie może umieszczać tego zjawiska i jego zastosowań w przemyśle poza swoim nawiasem [2].

Odkrycie zjawiska nadprzewodnictwa

Nadprzewodnictwo wydawało się wyjątkiem w roku 1911, kiedy je przypadkowo odkrył Heike Kammerlingh Onnes [1], uczony holenderski, który badał zależność oporu rtęci od temperatury dla bardzo niskich temperatur, bliskich zera bezwzględnego. W temperaturze 4,2K nieoczekiwanie opór elektryczny drutu wykonanego z zestalonej rtęci po prostu zniknął. Prąd płynął bez strat energii.

Nadprzewodnictwo rtęci okazało się nietrwałe. Pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący bez oporu powodowało zanikanie tego zjawiska. Ta jego wrażliwość, podatność na swoje własne pole magnetyczne była i jest nadal jedną z trzech przeszkód w rozwoju badań nad samym zjawiskiem i nad jego zastosowaniami.

Wkrótce okazało się, że nie tylko rtęć, ale i inne metale i ich stopy mają własności nadprzewodzące poniżej pewnej temperatury, nazwanej temperaturą krytyczną T_c. Dla rtęci temperatura krytyczna wynosiła 4,2K. Dla innych metali wartości temperatur krytycznych były zróżnicowane. Na przykład dla hafnu T_c=0,35K [3], dla glinu (aluminium) T_c=1,2K, dla cyny T_c=3,7K, dla ołowiu T_c=7,2K, dla niobu T_c=9,3K. Dla stopów metali, a właściwie dla ich związków międzymetalicznych temperatury krytyczne były wyższe. I tak: dla stopu niobu i glinu Nb₃Al T_c=16,0K, dla stopu niobu i cyny Nb₃Sn T_c=18,3K, a dla stopu niobu i germanu Nb₃Ge T_c=23,2K [5].

Druga przeszkoda związana była i jest nadal z tym, że temperatura krytyczna T_c jest dla większości materiałów zbyt niska, aby mogły one znaleźć zastosowanie w technice. Materiały te wymagają chłodzenia. Nawet dla materiałów ceramicznych odkrytych pod koniec XX wieku, które wykazują tzw. nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe nie są to temperatury nawet zbliżone do pokojowej.

Trzecia przeszkoda w rozpowszechnieniu zastosowań nadprzewodnictwa może być uznana za przyczynę pierwszych dwóch. Jest to brak teorii, która by wyjaśniła nadprzewodnictwo w zadowalający sposób.

Teoria BCS

Nie brak różnych teorii [5], których autorzy próbują wyjaśnić nadprzewodnictwo. Teorie te przeważnie są modyfikacjami teorii par elektronowych Coopera.

Trzeba podkreślić, że gdyby tradycyjne koncepcje elektryczności były prawidłowe, gdyby elektrony w przewodniku były maleńkimi cząstkami materii, które wykonują ruchy cieplne i zderzają się z węzłami sieci krystalicznej, to nadprzewodnictwo nie powinno istnieć. Przeciwnie, w temperaturach bliskich zera bezwzględnego opór elektryczny powinien wzrastać nawet do nieskończoności. Ruch cieplny przecież w tych temperaturach zamiera. Uczeni współcześni holenderskiemu odkrywcy nadprzewodnictwa właśnie tego się spodziewali i byli zaskoczeni wystąpieniem zjawiska zupełnie innego, rodem z Baśni z 1001 Nocy. Nie mieściło się ono w ich paradygmacie naukowym.

Teorie nadprzewodnictwa, które powstały w XX wieku częściowo tylko wyjaśniły to zjawisko. Teoria BCS, którą stworzyli wspólnie w roku 1957 John Bardeen, Leon N. Cooper i John R. Schrieffer odegrała niemałą rolę w badaniach, które w latach osiemdziesiątych pozwoliły uzyskać nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Georg Bednorz i Alexander Müller uzyskali za te badania nagrodę Nobla w r. 1987.

Teoria BCS, która przewidywała łączenie się elektronów w pewnych warunkach w tak zwane pary Coopera odegrała znaczną rolę w wyjaśnieniu zjawiska Josephsona. Zjawisko Josephsona polega na przewodzeniu par Coopera przez układ składający sie z dwóch warstw nadprzewodnikowych przedzielonych warstwą dielektryku (złącze Josephsona) i ma duże praktyczne zastosowanie. Pary Coopera są bozonami, podlegają statystyce Bosego - Einsteina, podczas gdy same elektrony są fermionami, podlegają statystyce Fermiego - Diraca. Elektrony zajmują jakby każdy osobną "komórkę", osobny stan. Nie może być w atomie nawet dwóch takich elektronów, które by były w tym samym stanie, miały ten sam zespół czterech liczb kwantowych. Są jakby ludźmi, którzy się wzajemnie nie cierpią i każdy chce przebywać w osobnym pokoju (o ile trafne jest porównanie osobnego i oryginalnego zestawu czterech liczb kwantowych do osobnego pokoju). Za to bozony - jak najbardziej, wielka ich ilość może przebywać w tym samym stanie (jak pospólstwo, które uwielbia gnieździć się razem w tej samej hali). Zachowanie się elektronów - fermionów i par elektronowych Coopera - bozonów bardzo się więc różni i stąd się bierze nadprzewodnictwo. Mimo snopu światła, jaki rzuciła teoria BCS na mechanizm nadprzewodnictwa nie można uważać tego zjawiska za całkowicie wyjaśnione. Falowa natura elektronu obok cząstkowej musi być wzięta pod uwagę, jak też bozonowa natura par elektronowych. Ale czegoś tu jeszcze najwyraźniej brakuje do tego, aby teoria nadprzewodnictwa była kompletna i zupełna, aby wyjaśniała wszystkie najważniejsze zjawiska, składające się na nadprzewodnictwo.

W historii technologii i techniki najlepiej znanym przykładem hamowania wzrostu techniki przez brak teorii wyjaśniającej ogół faktów jest przykład zastosowań elektryczności. Po genialnych eksperymentach, które przeprowadził Michael Faraday w pierwszej połowie XIX wieku, technologowie długo nie mogli wchłonąć tych wyników. Zaowocowały one w przemyśle rozwiązaniami i dalszymi wynalazkami i innowacjami dopiero wtedy, gdy James Clerk Maxwell stworzył spójną teorię elektryczności w kilkadziesiąt lat później [6]. Teoria ta stworzyła warunki, w których Thomas Alva Edison mógł dopiero wystąpić ze swoimi wynalazkami, które były przełomem w zastosowaniach elektryczności.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe

Wbrew początkowym oczekiwaniom, nadprzewodniki wysokotemperaturowe otrzymane w końcu XX wieku przez laureatów Nagrody Nobla: Bednorza, Muellera i ich następców nie były metalami ale materiałami ceramicznymi.

Te ceramiczne nadprzewodniki wysokotemperaturowe stały się popularne w szkołach, ponieważ umożliwiały przeprowadzenie bardzo efektownych samodzielnych doświadczeń wytrwałym i dociekliwym uczniom. Okazało się, że niektóre z nich można otrzymać w warunkach szkolnych dobrze wyposażonej szkoły metodą spiekania. Eksperymenty te zostały wielokrotnie opisane, a popularny polski miesięcznik "Problemy" w obszernym artykule podał przejrzysty przepis na wykonanie ceramicznego nadprzewodnika i na efektowny, bajkowy pokaz lewitacji małego magnesu, unoszącego się nad tym nadprzewodnikiem, chłodzonym przy użyciu ciekłego azotu [7].

Równanie reakcji chemicznej prowadzącej do otrzymania tego nadprzewodnika (zwanego popularnie 'ibakuo') przedstawiono poniżej. We wzorze sumarycznym produktu występuje ułamek niewłaściwy, liczba prawie równa 7, ale mniejsza o bardzo mały ułamek δ. Temperatura krytyczna dla tego produktu reakcji wynosi T_c=92K [11]. Temperatura ta zależy w znacznym stopniu od wielkości ułamka δ.

2 Y₂O₃ + 8 BaO + 12 CuO + O_2-4δ → 4 YBa₂Cu₃O_7-δ

W tej reakcji substratami są: tlenek itru, tlenek baru, tlenek miedzi (II) i tlen.
Spiekanie następuje w temperaturze 950°C. Czas reakcji wynosi 12 godz. Otrzymany produkt ceramiczny należy rozdrobnić i sprasować w tabletki, a następnie znowu spiekać w temperaturze 950°C w obecności tlenu. Czas prażenia wynosi też około 12 godzin, może być większy, aby spiek miał odpowiednią zawartość tlenu. To prażenie z tlenem jest kluczowym procesem, który decyduje o własnościach nadprzewodzących produktu. Produkt ten schładza się i ewentualnie spieka się znowu w obecności tlenu, aż osiągnie pożądaną zawartość tlenu i właściwości nadprzewodzące [7].

Znanym nadprzewodnikem wysokotemperaturowym jest Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ [9], który ma wysoką temperaturę krytyczną T_c=110K [11]. W eksperymencie z jego użyciem można równiez zaobserwować bardzo efektowne zjawisko Meissnera lewitacji małego magnesu.

Zastosowanie przemysłowe

Nadprzewodniki mają zastosowanie jako materiał do wytwarzania uzwojenia elektromagnesów [10], ponieważ elektromagnesy z takimi uzwojeniami nie rozpraszają energii, mają mniejszą masę i docelowo mogą okazać się tańsze od elektromagnesów zwykłych, za względu na mniejsze rozpraszanie energii. Nie dotyczy to jednak aktualnej sytuacji. Aktualnie koszt elektromagnesów z nadprzewodzącym uzwojeniem jest mimo wszystko stosunkowo drogi [12] i dlatego zapewnie bajki z 1001 Nocy (latające dywaniki) nie rozgrywają się jeszcze na naszych oczach.

Uzwojenie nadprzewodzące składa się ze stopu niobu z tytanem Nb-Ti, którego T_c=10K. Gęstość prądu nasycenia dla tego nadprzewodnika równa jest 6*10⁴ A*cm^-2 przy natężeniu pola magnetycznego H=64000A*cm^-1. Elektromagnesy te osiągają indukcję pola magnetycznego do 8 Tesli. Zastosowanie nadprzewodnika o składzie Nb₃Sn do wytworzenia uzwojenia pozwala wytworzyć pola o indukcji 17T. Temperatura krytyczna tego nadprzewodnika wynosi T_c=18K, a gęstość prądu nasycenia 10⁵ A*cm^-2 w polu magnetycznym 110000 A*cm^-2 [8].

Uzwojenia wykonane z nadprzewodników znalazły zastosowanie w przemyśle chemicznym do budowy aparatów do elektrolizy [8].

Nadprzewodniki służą do wytwarzania kabli do przesyłania prądu stałego lub zmiennego bez strat. Koszt stosowania takich kabli jest na razie znaczny, ponieważ muszą być one chłodzone.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe ceramiczne, które mają wyższe wartości temperatury krytycznej mają budowę warstwową, dlatego są one kruche i łatwo korodują. Utrudnia to ich przemysłowe zastosowanie.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe znajdą wkrótce powszechne zastosowanie w przemyśle chemicznym. Dlatego ich własności i sposoby wytwarzania są ważne dla technologii chemicznej.

Czy chcesz sobie zrobić sprawdzian opanowania tego rozdziału?
Za dobrą odp. na pyt. 1 i 2 policz sobie po 1 punkcie, za 3 i 4 po 2 punkty.

Uwaga! Jeżeli stosujesz program do zamykania okienek NetZap, lub podobny, wyłącz go (Stop Zapping), bo program testujący nie będzie działać prawidłowo.