요즘은 일종의 초전도체 발표가 없으면 뉴스가 오래 가지 않습니다. 안타깝게도 이러한 물질은 이전 물질보다 더 높은 온도가 필요하지만 여전히 극저온 냉각이 필요한 물질, 매우 높은 압력이 필요한 물질, 자세히 살펴보면 실제로 초전도체가 아닌 물질 등 여러 범주로 나뉩니다. 그러나 성배가 주변 온도의 적당한 온도에서 작동하는 초전도 물질이라는 것은 분명합니다. 대부분의 사람들은 그것을 상온 초전도체라고 부르지만, 현실은 '보통의 온도와 압력의 초전도체'를 원하지만, 그건 한 입에 불과하다.

Hackaday 벙커에서 우리는 누군가가 성공하는 날이 오면 무엇을 할지 고민해 왔습니다. 완료하려면 초전도체가 필요한 미완성 프로젝트가 잔뜩 있는 것과는 다릅니다. 자석을 더 쉽게 띄울 수 있게 만드는 것 외에 상온 초전도체로 무엇을 할 수 있을까요?

기초

와이어에 저항이 없는 것처럼 회로도를 그립니다. 하지만 실제 생활에서는 그렇지 않습니다. 와이어를 통해 흐르는 전자는 약간의 손실을 유발합니다. 그러나 1911년 네덜란드 물리학자 Heike Kamerlingh Onnes가 저온 연구를 개척했습니다. 당시 상식에서는 금속의 온도를 낮추면 저항이 감소하지만 절대 영도에서는 전자가 움직이지 않아 해당 온도에서는 전류가 흐르지 않을 가능성이 높다는 것이 상식이었습니다. Onnes는 정반대를 관찰했습니다. 그는 수은부터 시작해 절대 영도에 매우 가까운 4.2K에서 물질의 저항률이 갑자기 XNUMX으로 떨어지는 것을 관찰했습니다.

물론 4.2K에 가까운 재료를 얻는 것은 큰 문제입니다. 예를 들어, 차가운 것을 원할 때 실험실에서 일반적으로 사용되는 액체 질소는 77K에서 끓습니다. 그럼에도 불구하고 액체 질소를 사용한 냉각은 대부분의 응용 분야에서 그다지 실용적이지 않습니다. 그러나 90K 이상의 초전도성을 나타내는 일부 세라믹 재료가 있으므로 액체 질소와 같은 것으로 냉각하려는 경우 오늘날 초전도체를 사용하는 것이 가능합니다.

초전도체는 전기적 손실을 나타내지 않으므로 전류는 초전도 물질의 루프를 따라 영원히 이동할 수 있습니다. 실험에서는 전류가 거의 100,000년 동안 측정 가능한 손실 없이 순환하는 것을 관찰했으며, 이론에서는 전류가 우주의 수명보다 길지는 않더라도 최소 XNUMX년 동안 지속될 것이라고 예측합니다.

그 뒤에 숨은 물리학은 털이 많습니다. 일반 전도체에서는 전자가 이온 격자를 통해 흐릅니다. 일부 전자는 이온과 충돌하여 에너지의 일부를 열로 변환합니다. 초전도체에서 전자는 쿠퍼쌍(Cooper pair)으로 알려진 약한 쌍으로 결합합니다. 쌍은 에너지 소산 없이 흐를 수 있는 일종의 초유체를 형성합니다. 자세한 설명은 아래 영상을 통해 보실 수 있습니다.

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초전도성에 대한 한 가지 중요한 점은 주어진 전류 및 자기장 수준 이상에서는 초전도성이 사라진다는 것입니다. 따라서 임계 온도와 압력으로 초전도체를 특성화하는 것 외에도 임계 전류 밀도와 임계 자기장 강도를 아는 것도 중요합니다.

명백한 사례

오늘날 초전도체가 사용되는 곳은 여러 곳이 있습니다. SQUID(초전도 양자 간섭 장치)는 얇은 절연 부품이 있는 초전도체인 조셉슨 접합을 사용하는 매우 민감한 자력계입니다. 이는 실험실, MRI 기계 및 양자 컴퓨터에서 일반적입니다. 잠수함의 위치를 ​​찾는 데에도 사용할 수 있습니다. 큰 전류를 통과할 필요가 없으며 강한 자기장의 영향을 받지 않습니다. 아마도 상온 초전도체가 있다면 그것과 조셉슨 접합을 형성할 수 있을 것이고, 이 모든 장치는 더 저렴해지고 작동하기 쉬워질 것입니다.

우리가 초전도체를 볼 수 있는 또 다른 분야는 MRI, 입자 가속기, 공중부양 열차, 핵융합로 등을 위한 전자석입니다. 이는 고전류가 필요하거나 강한 자기장이 적용되는 애플리케이션입니다. 오늘날 이러한 응용 분야에는 모두 액체 질소 또는 액체 헬륨이 필요합니다. 미래의 실온 초전도체가 높은 임계 전류 밀도를 갖게 된다면 매우 강력한 전자석을 저렴하게 구축할 수 있습니다.

확실히 오늘날 우리가 차가운 초전도체를 사용하는 곳은 더 좋아질 것입니다. 그러나 현재 수행할 수 있는 몇 가지 새로운 애플리케이션도 있지만 냉각 오버헤드가 너무 커서 감당할 수 없습니다. 물론, 알려지지 않은 마법재료의 특성에 따라 달라지는 부분도 있을 것이다. 예를 들어, 사람들이 전기 송전선이 초전도체가 될 수 있다는 말을 자주 듣습니다. 그것은 사실이지만 임계 자기장 매개변수가 높은 경우에만 해당됩니다. 그렇지 않으면 AC 전류에 실제로 작동하지 않기 때문입니다. 반면에 우리는 손실에 대한 헤지 수단으로 부분적으로 AC를 사용하므로 전체 시스템을 변경할 의향이 있는 경우 초전도 케이블을 사용하여 더 낮은 DC 전압을 장거리 전송할 수도 있지만 높은 임계 수준에 의존하게 됩니다. 전류 밀도.

가전제품

우리는 초전도체가 가전제품에 어떤 역할을 할지 완전히 확신하지 못합니다. 더 나은 자석은 더 나은 모터를 의미할 수 있으므로 전기 드릴은 더 가볍고 강력할 수도 있습니다. 부품의 저항이 낮을수록 열 손실이 줄어들고 배터리 수명이 길어질 수 있습니다. 초전도체가 한 번 충전하면 몇 주 동안 지속되는 휴대폰이 탄생할 것이라는 말을 자주 듣습니다. 어쩌면 그럴지도 모르지만, 우리의 추측은 당장은 아닙니다. 상호 연결의 손실이 실제로 휴대폰 배터리를 소모시키는 원인인지는 의심스럽습니다. 하지만 비효율성이 적은 부품이 배터리 수명을 연장할 수 있는 것은 사실입니다. 더 빠른 충전도 가능해집니다. 결국 GaN 충전은 기존 전자제품보다 열이 덜 발생하기 때문에 더 효율적입니다. 초전도 충전기는 훨씬 더 빠릅니다.

일반적으로 따뜻한 초전도 전자 장치는 더 작은 공간에서 더 많은 전류를 처리할 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다. 더 빠를 수도 있다는 생각이 있습니다. Eary Josephson 접합(액체 헬륨)은 당시 사용된 기존 트랜지스터보다 훨씬 빨랐습니다. 물론 오늘날에는 트랜지스터가 더 좋아졌지만 아마도 초전도 접합을 널리 사용하면 개선도 가져올 수 있을 것입니다.

당신은 무엇을 할 것인가?

그러나 진실은 우리가 상온 초전도체의 특성을 모르기 때문에 그것이 무엇을 가져올지, 무엇을 가져올지 알 수 없다는 것입니다. 아마도 초전도 휴대폰은 자기장을 만날 때마다 재설정되기 때문에 없을 수도 있습니다. 우리는 단순히 모릅니다.

그러나 우리는 묻고 싶었습니다. 지금 당장 웹 브라우저를 열고 초전도 부품을 주문할 수 있다면 어떻게 하시겠습니까? 철사를 원하시나요? 코일? 장치를 전환하시나요? 그리고 왜? 아래 댓글을 통해 알려주세요.

액체 질소에 접근할 수 있다면 아마도 이미 초전도 물질을 이용해. 그렇다면, 우리에게 그걸 알려줘, 도. 아니면 아마도 당신이 작업하고있을 것입니다 상온 초전도성을 주장하는 차세대 물질 만들기.

주요 이미지: LHC의 중심에 있는 8개의 토로이드 초전도 자석, 출처: CERN.

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• 출처: https://hackaday.com/2024/02/26/ask-hackaday-what-if-you-did-have-a-room-temperature-superconductor/