Supravodivost – perspektivní technologie blízké budoucnosti
| Supravodivost – perspektivní technologie blízké budoucnosti Skutečnost, že elektrický odpor kovů při jejich ochlazování klesá, byla známa již v roce 1835 (M. Faraday). Po více než sedmdesáti letech, v roce 1911, učinil při pokusech o dosažení co nejnižších teplot nizozemský fyzik Heike Kamerlingh-Onnes nový, v tomto ohledu nečekaný objev: při ochlazení některých látek, zejména kovů, na velmi nízkou konkrétní teplotu (kritickou teplotu supravodiče Tk) jejich elektrický odpor zcela zmizí. Jev byl nazván supravodivost a látky s touto vlastností se nazývají supravodiče. Objev byl učiněn v době, kdy se již zdálo, že věda o elektřině a magnetismu nemůže přinést žádná překvapení: H. Kamerlingh-Onnes objevil supravodivost u rtuti ochlazené pomocí kapalného helia na pouhých několik kelvinů (0 K = absolutní nula = –273,16 °C). V roce 1911 ještě netušil, že jev supravodivosti bude vysvětlen až roku 1957. Teprve tehdy se objevila první uspokojivá teorie supravodivosti, tzv. teorie BCS1). Dosáhnout velmi nízké teploty je však neobyčejně obtížné – v roce 1835 dosáhl M. Faraday ve své laboratoři pomocí směsi oxidu uhličitého s éterem ve vakuu teploty –110 °C. Až o padesát let později Polák K. S. Olszewski s využitím vypařování tekutého dusíku ve vakuu posunul tuto hranici na –225 °C. H. Kemerlingh-Onnes dosáhl ve své moderní laboratoři na univerzitě v nizozemském Leydenu při studiu elektrických a magnetických jevů při velmi nízkých teplotách v období 1908 až 1911 snížením tlaku heliových par teploty –268,9 °C. H. Kemerlingh-Onnes se zajímal také o zavedení supravodivosti do praxe a navrhl, aby se nízké teploty využívaly ke zmrazování a přechovávání potravin. Ještě větší význam však měla jeho myšlenka vyrábět ze supravodivých materiálů vinutí cívek a ponořené do kapalného helia je používat pro buzení silných magnetických polí (až nad B = 15 T). V současné době se supravodivé magnety skutečně používají nejen ve výzkumu (urychlovače, výzkum materiálů apod.), ale též v lékařství a průmyslu. Kamerlingh-Onnesovy výzkumy z let 1908 až 1911 otevřely novou oblast fyziky spojenou s existencí makroskopických kvantových jevů (v roce 1913 obdržel Nobelovu cenu za fyziku). Zkoumání nového oboru vedlo k dalším zásadním objevům s mimořádným významem pro technickou praxi – supratekutost, Josephsonův jev2), vysokoteplotní supravodivost atd. Supravodivost se tak stala jednou z nejperspektivnějších technologií budoucnosti. LTS, HTS Při ochlazování některých známých kovů, např. zlata, mědi nebo stříbra, bylo zjištěno, že jejich elektrický odpor ani při dalším ochlazování neklesne pod jistou mezní hodnotu. Naopak jiné známé kovy, olovo (Pb), cín (Sn), nebo slitiny kovů (niob-titan), sloučeniny niob-cín, cín-germanium ad. jsou velmi dobrými supravodiči. Podle hodnoty kritické teploty Tk se rozlišují nízkoteplotní (LTS – low temperature superconductor) a vysokoteplotní (HTS – high temperature superconductor) supravodiče. Nízkoteplotní supravodiče vykazují supravodivost pod teplotou 4,2 K (teplota varu kapalného helia), vysokoteplotní jsou supravodivé při teplotách nad 77 K (teplota varu kapalného dusíku). Jak experimentálně, tak teoreticky se dlouho zdála pro vznik supravodivosti nepřekročitelná teplota 23 K. To znamenalo chlazení látek kapalným heliem (4 K), jehož příprava je však relativně dosti drahá. V roce 1986 však objevili Karl Allex Müller a Johannes George Bednorz supravodivost keramických materiálů za teplot vyšších než 30 K a vzápětí následoval objev supravodičů za teplot vyšších, než je teplota zkapalnění dusíku (77 K). Jev byl nazván vysokoteplotní supravodivost (HTS). Bylo jasné, že vznik supravodivosti při teplotách nad 77 K nevysvětlí ani samotná teorie BCS. Navíc bylo, vzhledem k levné přípravě kapalného dusíku, zřejmé, že do budoucna půjde o technologický průlom srovnatelný s objevem tranzistoru nebo laseru. V roce 2004 se objevily první náznaky hlubšího pochopení mechanismu vysokoteplotní supravodivosti založeného na experimentech posledních let. Nové keramické supravodiče Keramické oxidové supravodiče, objevené v 80. letech minulého století, jsou na bázi soustav yttrium, barium, měď, kyslík (Y-Ba-Cu-O) nebo na bázi lanthan, baryum, měď, kyslík (La-Ba-Cu-O), popř. na bázi bismutu (Bi). Technické označení těchto nových materiálů je YBCO 123, BSCO 2212 nebo krátce Bi 2212, popř. Bi 2223. Teploty, při nichž se skokem mění fyzikální vlastnosti těchto supravodičů, leží u Bi 2212 u 92 K (–181 °C), u Bi 2223 u 110 K (–163 °C). Například hodnota kritické indukce Bk u materiálu YBCO 123 je 5 T, u materiálu Bi 2223 je to pouze 1 T. V těchto oxidických materiálech, které pracují při teplotě tekutého dusíku (Tk = 77,35 K), elektrický proud protéká bez spádu napětí a udržuje se v supravodivém obvodu téměř libovolně dlouhou dobu – jeho intenzita se nezmenšuje, jeho energie se nepřeměňuje na Jouleovo teplo. Objev uvedených keramických supravodičů byl významný také tím, že ve srovnání s materiály pracujícími při teplotě tekutého helia (Tk = 4,25 K) jsou náklady na jejich chlazení pouze 4 %. Nové keramické supravodiče jsou významné i další zásadní vlastností – ztrácejí supravodivé vlastnosti při překročení kritické hodnoty magnetické indukce Bk, popř. také kritické proudové hustoty jk. Supravodivý stav se rovněž poruší působením silných magnetických polí a intenzivních elektrických proudů bez změny teploty – rezistivita materiálu se obnoví a znovu začne platit Ohmův zákon. Možnosti využití supravodivosti v energetice a elektrotechnice Vysokoteplotní supravodiče (HTS) lze využít v energetických zařízeních. Nejvýznačnější vlastností supravodivých materiálů je mimořádné zmenšení ztrát. Zatím největším problémem je však tyto látky „uchladit„ i pro dráty a pásky velkých délek; ale i to lze v poslední době řešit. Proto je reálná možnost vyrábět např. vinutí elektrických strojů – synchronních generátorů, magnetických akumulátorů, omezovačů proudu apod. Co se týče materiálu Bi 2223, jsou dosud dosažené délky vodičů a proudové hustoty (při provozní teplotě 77 K) okolo 100 m a 25 kA/cm2. Tento materiál je tedy perspektivní pro přípravu supravodivých kabelů o délce až 1 km a pro výrobu transformátorů. U vinutí supravodivých transformátorů je ceněna zejména přenosová výkonová kapacita a další provozní vlastnosti (rozměry, účinnost), jež lze s výhodou využít v energetických sítích. Přenosové trasy Supravodivé kabely lze vyrobit v koaxiálním provedení, což dovoluje upravit (snížit) jejich indukčnost volbou vhodných rozměrů izolace. Snížení indukčnosti vedení omezuje i napěťový pokles a vlnový odpor, naopak roste kapacita. Zvyšuje se tak i přípustný přenášený výkon. Vyloučí se tudíž nepříjemnosti s elektrickým polem okolo kabelu. Ekonomický přínos supravodivých zařízení vznikne především tam, kde jde o eliminaci ztrát, tedy zejména při dlouhodobém odběru proudu ze sítě. Zatím však vysoké pořizovací náklady zůstávají i nadále problémem. Generátory a transformátory Větší rozsah přípustného jalového výkonu je významný pro spolupráci generátoru s ostatními supravodivými zařízeními. Generátory se supravodivým vinutím je možné vyrábět pro napětí 110 kV, díky čemuž je možné je napojit na supravodivý kabel 110 kV bez použití blokového transformátoru. To by umožňovalo přenos výkonu až 650 MV·A na vzdálenost až několika set kilometrů. Další využití rozměrově a hmotnostně méně náročného supravodivého zařízení je např. na železnici. Dosavadní rozměrný, těžký a drahý staniční transformátor lze nahradit supravodivým transformátorem přímo v pohonném vozidle. Supravodiče pro střídavé proudy ale dosud mají zbytkovou rezistanci, takže ve vinutí vznikají vždy určité ztráty. Další nepříznivou skutečností je, že při velmi nízkých teplotách klesá i rezistance transformátorových plechů, takže rostou ztráty vířivými proudy v jádrech transformátorů. Podobně jako u kabelů musí běžet chladicí zařízení na plný výkon i při chodu naprázdno. Účinnost běžných velkých transformátorů je až 99,7 %, takže supravodivé transformátory kromě rozměrů dosud nemají žádné přednosti. Supravodivé omezovače zkratového proudu Princip omezovače proudu je v tom, že supravodič při vzrůstu teploty v důsledku působení zkratového proudu nad kritickou hodnotu přejde do normálního, rezistivního stavu. Tím se zkratový proud omezí. Po opětovném vychladnutí pod kritickou teplotu přechází materiál reverzibilně znovu do supravodivého stavu. Současné omezovače působí vždy na vypínače, které jsou schopny přerušit např. zkratové proudy teprve až po několika periodách. Proto jsou dnes distribuční sítě budovány s odolností proti zkratu, což s sebou nese zvýšené materiální, a tedy ekonomické náklady. Jmenovitý odpor sítě nesmí klesnout pod určitou hodnotu, což zase nedovoluje optimalizaci sítě vzhledem k nutným provozním podmínkám, jako jsou ztráty na vedení, vysoké spády napětí nebo možnost ovlivnění tvaru napěťové vlny. To vše by bylo možné optimálně řešit s využitím supravodivého omezovače proudu. Omezovače proudu však budou nutné i pro samotnou ochranu supravodivých zařízení. Přehled možností, kde se v silnoproudých rozvodech může obecně omezovač zkratového proudu uplatnit, je uveden v tab. 1. Tab. 1. Možnosti použití zkratového omezovače proudu
Výhodou supravodivých omezovačů zkratového proudu je skutečnost, že ve srovnání s konvenčními omezovači nevyžadují žádná zařízení pro detekci zkratového proudu. Tyto omezovače pracují reverzibilně, automaticky a není zapotřebí vyměňovat jejich pomocné prvky (např. pojistky). Rezistivní supravodivý omezovač se zapojuje do obvodu zkratového proudu a využívá přímo vlastnosti supravodivého materiálu. Již při první vrcholové hodnotě zkratového proudu vzroste teplota supravodivého materiálu nad kritickou teplotu Tk a materiál přejde do rezistivního stavu. U současných supravodivých materiálů je zkratový proud potlačen v čase pod 1 ms. Během asi 50 ms se obvod rozpojí pomocným konvenčním spínačem zapojeným do série, takže nedojde k přílišnému ohřátí supravodiče, který asi během 1 s vychladne a zase nabude svých supravodivých vlastností. Indukční supravodivý omezovač lze realizovat dvojím způsobem: Od přenosové sítě se bude vyžadovat snižování vnitřního odporu, což ovšem znamená velké zkratové proudy a velké zkratové výkony. S tím jsou dále spojena velká dynamická a tepelná namáhání všech prvků rozvodu. Vzniká tak základní rozpor, protože již malé poruchy budou způsobovat velké zkratové výkony v síti. Tím se otevírají možnosti pro rozvoj a využívání supravodivých omezovačů, které mohou pomoci toto dilema řešit. Současné supravodivé omezovače zatím mohou být použity jen při malých zkratových proudech v rozvodech středního napětí. To dovoluje budovat sítě s velkým počtem obvodů, s vyšší hustotou výkonu, s větší flexibilitou sítě, s vyšší bezpečností dodávky a se snižováním nákladů na výzbroj. Při poruše je možné vytvořit malé síťové skupiny s nízkou úrovní zkratového proudu. Reverzibilita činnosti supravodivého omezovače umožňuje obnovu dodávky, jakmile se poruchové místo odpojí. Předností aplikace supravodivého omezovače zejména u sítí s velkým zkratovým výkonem je, že je silně potlačeno zpětné působení spotřebičů na síť. Tím roste kvalita dodávané energie, redukují se zkreslení síťového napětí v důsledku působení zdrojů parazitních harmonických složek a omezuje se blikavý jev (flicker). Důležité je i potlačení vedlejších účinků na měřicí a řídicí systémy a na dotykové a krokové napětí. Průběh naměřených elektrických veličin u supravodivého omezovače zkratového proudu je na obr. 1a. Při vzniku poruchy v čase t = 0 začne protékat zkratový proud. Odpor omezovače se v počátku mění jen zvolna. V čase t = 0,55 ms vzroste teplota supravodiče nad kritickou hodnotu Tk a ten přejde do normálního rezistivního stavu.  Obr. 1. Průběh proudu, napětí a odporu u supravodivého omezovače; a) naměřené hodnoty, b) simulace zkratového proudu bez supravodivého omezovače a se supravodivým omezovačem Výsledek počítačové simulace, získané programem Netomac je na obr. 1b. Zkratový proud je působením supravodivého omezovače omezen na asi 20 %. Vývoj supravodivých omezovačů zkratového proudu pro využití v praxi ve velkých sítích je teprve v začátcích. Rozhodujícím problémem je materiál. Laboratorně se ověřují pouze vzorky a prototypy. Zřejmé výhody a zejména nutnost aplikace těchto omezovačů v budoucích sítích je hnacím motorem výzkumu v mnoha zemích. Magnetické akumulátory elektrické energie Současné akumulátory energie nedovolují rychle absorbovat a vydávat jalový a činný výkon bez omezení a ztrát. To supravodivé magnetické akumulátory elektrické energie dovolují. Kromě toho existuje možnost akumulace energie setrvačníkovým systémem se supravodivými ložisky. Do kapacity 1 kW·h se hovoří o malých, do kapacity 10 kW·h o velkých akumulátorech nebo také o megaakumulátorech. Malá zařízení tohoto typu lze instalovat přímo u spotřebitele a zlepšit tak kvalitu zásobování elektrickou energií. Velké zásobníky od 1 MW·h pro výkony 10 až 100 MW mohou být využívány jako sekundární rezerva činného výkonu velkých elektráren. Tak by bylo možné vyloučit např. nutnou rezervu páry při mimořádném vzrůstu spotřeby elektrické energie.  Obr. 2. Generátory HTS otevírají nové možnosti použití pro energetické a pohonné systémy např. při stavbě lodí nebo na mořských vrtných plošinách Menší zařízení je vhodné ke ztlumení kolísání spotřeby, stabilizaci činného a jalového výkonu na krátkých vedeních. Teoreticky by bylo možné vyrovnávat spotřebu v celé síti a předcházet problémům s vyrovnáváním spotřebních špiček během dne. Na projektech velkých energetických supravodivých akumulátorů začali pracovat v USA v roce 1983. Tyto zdroje mají být uloženy v podzemním kruhovém tunelu a mají být určeny pro stabilizaci velkých sítí, pro průmyslové i vojenské účely. Ekonomické hledisko upřednostňuje využití supravodivých materiálů, zejména HTS, v malých akumulátorech pro střední napětí a ve středních akumulátorech pro sekundovou rezervu činného výkonu. Konkrétní supravodičové aplikace současnosti Synchronní generátor 4 MV·A Od roku 2001 pracují tři divize firmy Siemens na vývoji generátoru HTS s výkonem 4 MV·A a otáčkami 3 600 min–1. Cílem je vyvinout hlavní generátory zejména pro velká plavidla (obr. 2). Pohon generátoru by byl zajišťován namísto dieselmotory vysokootáčkovou plynovou turbínou. Supravodivý generátor má včetně pomocných pohonů malé rozměry, a zabírá proto malý lodní prostor. Lodní elektrické supravodivé pohony zaručují větší disponibilitu, funkční pružnost, vysokou účinnost a nižší energetické nároky. Generátory HTS znamenají také nové možnosti hospodárnosti provozu a nová koncepční řešení.  Obr. 3. Prototyp generátoru HTS 4 MV·A firmy Siemens ve zkušebně v Erlangenu u Norimberku Prototyp generátoru HTS 4 MV·A (obr. 3) byl dokončen v roce 2005 a v roce 2006 bylo testováno jeho využití pro generování elektrické energie u velkých plavidel s moderními střídavými regulovanými pohony s měniči kmitočtu. Vývoj pokračuje aplikacemi HTS pro mimobřežní vrtné plošiny. Obří urychlovač částic Je to první reprezentant nové generace urychlovačů, jejichž podstatnou součástí jsou supravodivé magnety (chlazené kapalným heliem), potřebné pro dosažení potřebné intenzity magnetického pole (obr. 4).  Obr. 4. Zatím nejvýkonnější urychlovač částic LHC (Large Hadron Collider) ve švýcarském CERN; v hloubce 110 m pod zemí je prstencový tunel o délce přes 27 km Fyzici používají urychlovače částic při hledání odpovědí na nejzákladnější otázky o povaze vesmíru. Kolosální urychlovač částic v CERN urychlí nabité částice téměř na rychlost světla (c = 299 792 458 m·s–1), které poté vyvolají srážku, jejíž energie je až 7 TeV (sedm trilionů elektronvoltů). Tím se vytvoří podobné podmínky, jaké existovaly v době kataklyzmatického zrození našeho vesmíru při tzv. Velkém třesku. Tento obří urychlovač by měl být dokončen v roce 2007. Dopravní systémy Elektrodynamické levitační systémy se supravodivými cívkami jsou základem projektů nových vysokorychlostních železničních souprav pro dálkovou dopravu. Vozidlo je poháněno lineárním synchronním motorem. Při jízdě vozidla se postupně zapínají pouze úseky o málo delší, než je délka soupravy, aby ztráty ve statorovém vinutí byly co nejmenší. Signál k zapnutí příslušné sekce dává rádiový polohový detekční systém, který řídí činnost napájecího měniče. Speciální aplikace Elektromagnetické pulsní alternátory byly vyvinuty jako zdroje pulsní energie pro elektromagnetické zbraně a jako zdroje pro odpalovací katapulty letadel na letadlových lodích. Závěr Nezbytnou součástí budoucích distribučních sítí budou nová supravodivá zařízení, jako např. transformátory, kabely a zásobníky energie. Tato zařízení budou nutně vyžadovat supravodivé omezovače zkratových proudů. Kromě mnoha dalších otázek zbývá odpovědět na to, zda by při ztrátě supravodivosti tato zařízení nevyžadovala neúnosně dlouhou dobu pro opětovné vychlazení a návrat supravodivosti. Spodní hranice využití supravodivých materiálů je dnes asi 800 MW u generátorů, u transformátorů a kabelů je to v řádu několika stovek megawattů. Takto výkonná zařízení však zatím nejsou na pořadu dne a přes veškerou svou perspektivnost bude zřejmě nutné na širší supravodivé aplikace ještě nějaký čas počkat. Na úplný závěr je vhodné upozornit na podvodníky se „supravodivostí“: a) Pravděpodobně se již téměř každý setkal se šokujícím předváděním „supravodivých magnetů“, které svou silou měly zajistit polarizaci, a tím úsporu paliva. Magnetické „spořiče„ paliva údajně mají polarizací paliva zajistit jeho lepší rozptýlení ve vzduchu. Údajně se tím zlepší jeho spalování, a emise škodlivin proto budou nižší. Magnety však působí na benzin naprosto neúčinně, protože benzin (vyráběný z ropy) je na bázi uhlovodíkového řetězce a ty prostě polarizovat nelze. Prvním nesmyslem je použití slova „supravodivý„; není známa látka, která by byla za pokojové teploty jakkoliv supravodivá (ať elektricky, nebo magneticky) – viz text o teplotách v úvodu článku. Druhým nesmyslem je polarizace uhlovodíkové kapaliny jakéhokoliv druhu – polarizovat lze pouze vodu, a to jen od určitého stupně tvrdosti. Uhlovodíkové řetězce magneticky polarizovat nelze, resp. polarizace lze dosáhnout, ale velmi omezeně, pouze ve velmi silném elektromagnetickém poli. I tak vychýlené řetězce po opuštění místa působení pole okamžitě zaujmou původní stav. b) Voda se magneticky upravuje pro snížení její tvrdosti. Vápenaté složky se sice neodstraní, ale přejdou do formy, která není schopna se po určitou dobu usazovat na stěnách vodovodních trubek, bojlerů atd. Trvanlivost takové úpravy je od 24 do asi 72 hodin, potom vápník opět přejde do původní „usazovací“ formy. Veškerá zařízení, která hovoří o magnetické polarizaci, sice mohou fungovat, ale pouze jako magnet na vaše peníze! Redakce Elektro Literatura: 1) teorie BCS – John Bardeen, Leon N. Cooper a J. Robert Schrieffer; počátkem 60. let 20. století vytvořili tito fyzikové teorii supravodivosti založenou na myšlence párů elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Tyto páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) se chovají jako bosony a mohou za nízké teploty sdílet přesně stejnou deformaci v krystalické mřížce (fonon). Díky tomu se chovají jako koherentní makroskopická kapalina. Při energiích vyšších než prahová energie je tento koherentní stav narušen teplotními excitacemi o energii kT (Boltzmannova konstanta . absolutní teplota). Za tuto teorii obdrželi v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku. | |||||||||||||||||||||||||||||
