Υπεραγωγιμότητα—Γιατί Όλος Αυτός ο Ενθουσιασμός;

ΜΕΣΑ σ’ ένα πράγμα που μοιάζει με μικρό, πλαστικό φλιτζάνι καφέ, βρίσκεται το δισκίο κάποιου μαύρου υλικού, σε μέγεθος μικρού κουμπιού. Στην κορυφή του δισκίου είναι τοποθετημένο, ένα ακόμη πιο μικρό, κομματάκι μέταλλο. Ο νεαρός μαθητής χύνει μέσα στο φλιτζάνι, με προσοχή και λίγο-λίγο κάθε φορά, ένα υγρό που αναδίδει ατμούς. Όλοι γύρω από το τραπέζι παρακολουθούν με φοβερή ανυπομονησία.

Στην αρχή, ακούγεται ένα δυνατό σύριγμα μόλις πέφτει το υγρό στο φλιτζάνι. Σε λίγο, τα πράγματα ησυχάζουν και ο αέρας ηρεμεί. Έπειτα, το μικρό μεταλλικό κομματάκι αρχίζει να τρέμει, σαν να χορεύει. Εντελώς ξαφνικά, σηκώνεται από το δισκίο και κρέμεται στον αέρα, χωρίς να ακουμπάει πουθενά! Ο μαθητής παίρνει μια συρμάτινη θηλιά και την περνάει στο μεταλλικό κομματάκι. Δεν πρόκειται για τρικ ούτε για τέχνασμα—το μεταλλικό κομματάκι αιωρείται!

Αυτό ήταν ένα πείραμα σχετικά με την υπεραγωγιμότητα, το οποίο έγινε από μια ομάδα μαθητών, σ’ ένα γυμνάσιο της Καλιφόρνια. Μόλις πριν από ένα ή δύο χρόνια, ένα τέτοιο πείραμα μπορούσε να γίνει μόνο σε σύγχρονα ερευνητικά εργαστήρια, που διαθέτουν πολύπλοκο εξοπλισμό και παίρνουν σημαντικές χρηματοδοτήσεις. Το ότι σήμερα μπορούν να το κάνουν ακόμη και μαθητές του γυμνασίου δείχνει πόσο γοργή είναι η πρόοδος σ’ αυτόν τον τομέα.

Τον περασμένο Μάιο, το περιοδικό Time δημοσίευσε ένα κύριο άρθρο με τίτλο «Υπεραγωγοί!—Η επαναστατική ανακάλυψη που θα μπορούσε να αλλάξει τον κόσμο μας». Το Newsweek αποκάλεσε το γεγονός «Νέα Ηλεκτρική Επανάσταση». Το περιοδικό Life έδωσε στα άρθρα του σχετικά με την υπεραγωγιμότητα τον τίτλο «Η Φυσική του Άψε-Σβήσε», θέλοντας να δείξει πόσο γρήγορα εξελίσσονται τα πράγματα σ’ αυτόν τον τομέα. Τι είναι λοιπόν η υπεραγωγιμότητα; Και γιατί όλος αυτός ο ενθουσιασμός;

Ένας Στόχος Καθόλου Καινούριος

Η αγωγιμότητα ορίζεται ως το μέτρο της ικανότητας μιας ουσίας να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα. Οι περισσότεροι ξέρουμε ότι υλικά όπως το γυαλί και η πορσελάνη δεν είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού. Αντίθετα, μέταλλα όπως ο χαλκός, ο χρυσός και η πλατίνα είναι καλοί αγωγοί, επειδή παρουσιάζουν σχετικά μικρή αντίσταση στο ρεύμα που περνάει μέσα τους. Υπεραγωγιμότητα λοιπόν, είναι η πλήρης έλλειψη ηλεκτρικής αντίστασης σε μια ουσία—η ιδανική κατάσταση, κατά την οποία ο ηλεκτρισμός διαδίδεται ανεμπόδιστα και χωρίς απώλειες.

Εδώ και πολύ καιρό, οι επιστήμονες οραματίζονται τις τεράστιες δυνατότητες που θα είχε ένα τέτοιο ιδανικό υλικό—ένας υπεραγωγός. Για παράδειγμα, οι γραμμές μεταφοράς ρεύματος, αν ήταν φτιαγμένες από υπεραγωγούς, δεν θα εξάλειφαν μόνο την τρομακτική απώλεια ενέργειας που οφείλεται στην αντίσταση των συμβατικών συρμάτων· θα εξάλειφαν και τις σημερινές άσχημες και δαπανηρές ηλεκτρικές γραμμές που διασχίζουν την ύπαιθρο. Η χρήση των υπεραγωγών θα έκανε δυνατή την κατασκευή υπερκομπιούτερ, που τα εξαρτήματά τους θα ήταν πολύ πυκνά συναρμολογημένα και οι οποίοι θα λειτουργούσαν με ταχύτητες που προς το παρόν είναι ανέφικτες. Οι ασυνήθιστες μαγνητικές ιδιότητες των υπεραγωγών θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια νέα γενιά ισχυρών ηλεκτρομαγνητών, οι οποίοι θα επέτρεπαν την ευρεία χρήση εφευρέσεων που ως τώρα βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο, όπως οι ιατρικοί ανιχνευτές (scanners), τα «ιπτάμενα» τρένα υψηλής ταχύτητας που κινούνται πάνω σ’ ένα στρώμα ηλεκτρομαγνητισμού, οι γιγαντιαίοι επιταχυντές σωματιδίων, ακόμη και η ενέργεια σύντηξης.

Όμως όσο συναρπαστικά κι αν είναι όλα αυτά, υπάρχει ένα μειονέκτημα. Επί 75 και πλέον χρόνια, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι ορισμένα μέταλλα παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα, αλλά μόνο όταν ψύχονται σε υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες—εκατοντάδες βαθμούς κάτω του μηδενός. Το 1911, ο Ολλανδός επιστήμονας Χάικε Κάμερλινγκ Όνες, ανακάλυψε για πρώτη φορά το δρόμο που οδηγούσε στους υπεραγωγούς, και μάλιστα τυχαία. Αυτός, μόλις είχε ανακαλύψει μια μέθοδο υγροποίησης του αέριου ήλιου, για την οποία και του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ το 1913, και τότε ερευνούσε την επίδραση των χαμηλών θερμοκρασιών σε διάφορα μέταλλα. Χωρίς να το περιμένει, βρήκε ότι ο υδράργυρος χάνει κάθε ηλεκτρική αντίσταση περίπου στους -269° C, δηλαδή στους 4 Κ, με άλλα λόγια τέσσερις βαθμούς πάνω από τη θερμοκρασία που οι επιστήμονες ορίζουν ως απόλυτο μηδέν στην κλίμακα Κέλβιν.a

Την αξία της υπεραγωγιμότητας την εκτίμησαν γρήγορα, έστω κι αν επρόκειτο για τυχαία ανακάλυψη. Ωστόσο, η υπερβολικά χαμηλή θερμοκρασία—που ονομάζεται θερμοκρασία μετάπτωσης ή κρίσιμη θερμοκρασία—στην οποία το υλικό γίνεται υπεραγώγιμο, αποτελούσε σοβαρό μειονέκτημα. Η εργασία σε τέτοιες χαμηλές θερμοκρασίες ήταν τόσο περίπλοκη και δαπανηρή ώστε περιόριζε την πρακτική αξία της υπεραγωγιμότητας. Τις επόμενες δεκαετίες, οι επιστήμονες πειραματίστηκαν με άλλα υλικά, ελπίζοντας πως θα έβρισκαν κάτι που θα γινόταν υπεραγώγιμο σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Αλλά η πρόοδος ήταν αργή.

Παρ’ όλα αυτά, καθώς τα χρόνια περνούσαν, ήρθαν στο φως κι άλλες ιδιότητες των υπεραγωγών. Μια από τις πιο σπουδαίες ιδιότητες, η οποία ανακαλύφθηκε το 1933, είναι η εξής: Όταν ένας υπεραγωγός τοποθετείται μέσα σ’ ένα μαγνητικό πεδίο, δεν επιτρέπει καθόλου στη μαγνητική ροή να περάσει μέσα απ’ αυτόν· την απωθεί ή απωθείται ο ίδιος απ’ αυτήν. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φαινόμενο Μάισνερ και είναι η αιτία της αιώρησης, που παρουσιάστηκε στο πείραμα του γυμνασίου. Η ανακάλυψη αυτού του φαινομένου έγινε αιτία να ξεκινήσουν νέες προσπάθειες εξεύρεσης υπεραγωγών σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Αλλά η πρόοδος εξακολουθούσε να προχωράει με βήμα χελώνας. Μέχρι πρόσφατα, το 1973, το καλύτερο υλικό που είχε βρεθεί ήταν κάποιο μεταλλικό κράμα που γινόταν υπεραγώγιμο στους 23 Κ, δηλαδή στους -250° C· θερμοκρασία πολύ χαμηλή και καθόλου πρακτική. Και τα πράγματα παράμειναν σχεδόν στάσιμα για τα επόμενα 12 περίπου χρόνια.

Η Θερμοκρασία Ανεβαίνει!

Τα γεγονότα πήραν μια νέα τροπή, όταν δυο επιστήμονες του ερευνητικού εργαστηρίου της IBM, στη Ζυρίχη της Ελβετίας, σκέφτηκαν πως ο λόγος για τον οποίο οι άλλοι ερευνητές δεν είχαν πολλή επιτυχία μπορεί να ήταν το ότι ερευνούσαν λάθος υλικό. Μέχρι τότε, το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας γινόταν με μέταλλα και κράματα. «Πείστηκα ότι δεν θα γινόταν πρόοδος αν ακολουθούσαμε την ίδια γραμμή», είπε ο Άλεξ Μίλερ, ένας από τους δυο επιστήμονες.

Ο Μίλερ και ο συνεργάτης του, Γκέοργκ Μπέντνορτς, άρχισαν να πειραματίζονται με οξείδια μετάλλων το 1983. Στις αρχές του 1986, χρησιμοποιώντας μια ένωση που αποτελείτο από βάριο, λανθάνιο, χαλκό και οξυγόνο, σημείωσαν τη σπουδαιότερη πρόοδο επί χρόνια—υπεραγωγιμότητα στους 35 Κ, δηλαδή στους -238° C. Όταν τα νέα δόθηκαν τελικά στη δημοσιότητα, το Σεπτέμβριο του 1986, ο επιστημονικός κόσμος αιφνιδιάστηκε. Το υλικό που χρησιμοποίησαν οι επιστήμονες του ελβετικού εργαστηρίου, και το οποίο ανήκει σε μια κατηγορία κεραμικών, φυσιολογικά είναι μονωτής και κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ότι μ’ αυτό θα γινόταν η μεγαλύτερη ανακάλυψη όλων εκείνων των δεκαετιών.

Το ένα ρεκόρ ερχόταν μετά το άλλο, με γοργό ρυθμό. Το Φεβρουάριο του 1987, μια ομάδα υπό τη διεύθυνση του Τσ. Β. Τσου του Πανεπιστημίου του Χιούστον, είχε ήδη ανακαλύψει υπεραγωγιμότητα σ’ ένα υλικό στη θερμοκρασία ρεκόρ των 93 Κ, δηλαδή -180° C, αντικαθιστώντας το λανθάνιο, που είχε η ένωση του Μίλερ, με ύτριο, μια άλλη σπάνια γαία, όπως ονομάζεται.

Αυτό το επίτευγμα άνοιξε ένα νέο κεφάλαιο στην υπεραγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Μέχρι τότε, έπρεπε να χρησιμοποιείται υγρό ήλιο για να φερθούν τα υπό μελέτη υλικά στις απαιτούμενες χαμηλές θερμοκρασίες—διαδικασία πολύ δαπανηρή και περίπλοκη. Με τη νέα ανακάλυψη, η ψύξη μπορούσε τώρα να γίνει με υγρό άζωτο, το οποίο υγροποιείται στους 77 Κ, δηλαδή στους -196° C. Το υγρό άζωτο βρίσκεται πολύ εύκολα, κοστίζει πολύ λίγο, περίπου όσο και το γάλα, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς εργαστηριακά μηχανήματα. Το γεγονός αυτό, μαζί με το γεγονός ότι και το υλικό που αποτελείται από οξείδια παρασκευάζεται εύκολα και είναι φτηνό, συντέλεσαν πολύ στο να δοθεί νέα ώθηση στην έρευνα για την υπεραγωγιμότητα.

Φυσικά, ο τελικός σκοπός θα ήταν ένας υπεραγωγός σε θερμοκρασία δωματίου που δεν θα απαιτούσε καθόλου ψύξη, στόχος για τον οποίο σ’ όλο τον κόσμο, οι επιστήμονες αγωνίζονται με πάθος. Για την ακρίβεια, ήδη έχουν αρχίσει να εμφανίζονται ειδήσεις για κάποια «αμυδρά ίχνη» υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου.

Μέχρι το τέλος του Μαΐου του 1987, ο Τσου και η ομάδα του είχαν βελτιώσει το ρεκόρ τους. Βρήκαν πως μια μικρή ποσότητα κάποιου δείγματος γινόταν υπεραγώγιμη στους 225 Κ, δηλαδή στους -48° C, όμως αυτό δεν γινόταν συνέχεια. «Μπορεί να το παρατηρήσεις μια φορά», είπε ο Πέι-Χενγκ Χορ που είναι μέλος της ομάδας, «έπειτα από λίγο να εξαφανιστεί και μετά να το ξαναδείς». Μια άλλη ομάδα, στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, ανάφερε ότι ένα υλικό, πάνω στο οποίο εργάζονταν, παρουσίασε υπεραγωγιμότητα στους 292 Κ, δηλαδή στους -19° C· ωστόσο, δεν μπόρεσαν να πετύχουν ξανά το ίδιο αποτέλεσμα.

Πλησιάζει ο Χρυσός Αιώνας;

Όλα αυτά τα συναρπαστικά νέα για τους υπεραγωγούς δίνουν σε πολλούς την εντύπωση ότι τώρα βρισκόμαστε στο κατώφλι μιας νέας εποχής, ενός τεχνολογικού χρυσού αιώνα. Η ζωή μας πρόκειται να αλλάξει, λένε, όπως έγινε και με τις εφευρέσεις του παρελθόντος, σαν το ηλεκτρικό φως και την κρυσταλλολυχνία. Βρίσκονται λοιπόν στ’ αλήθεια προ των πυλών, όλα αυτά τα θαυμάσια πράγματα που υποτίθεται πως θα γίνουν εφικτά με τους υπεραγωγούς;

Πρώτα-πρώτα, «προτού καταφέρουμε να χρησιμοποιήσουμε πλατιά την υπεραγωγιμότητα, πρέπει να αποκτήσουμε πολύ πληρέστερη βασική επιστημονική κατανόηση», σχολίασε ο διευθυντής του Εθνικού Επιστημονικού Ιδρύματος των Η.Π.Α., Έριχ Μπλοχ. Οι επιστήμονες δεν έχουν κατορθώσει ακόμη να βρουν σαφείς απαντήσεις σ’ ό,τι αφορά το γιατί τα ανθρωποποίητα κεραμικά υλικά λειτουργούν με ένα συγκεκριμένο τρόπο.

Εξαιτίας αυτού, πολλοί ειδήμονες πιστεύουν ότι πιθανόν να περάσουν χρόνια προτού οι υπεραγωγοί βγουν από το εργαστήριο και αρχίσουν να χρησιμοποιούνται κανονικά. «Οι δυνατότητες αυτών των υλικών είναι μεγάλες, το χρονοδιάγραμμα που έχει φτιάξει ο τύπος είναι λάθος», λέει ένας ερευνητής του Εθνικού Γραφείου Μέτρων και Σταθμών. «Θα περάσουν πέντε χρόνια πριν τους δούμε να χρησιμοποιούνται ως λεπτές μεμβράνες στους κομπιούτερ, και μέχρι και είκοσι χρόνια πριν τους δούμε να χρησιμοποιούνται σε μαζικές εφαρμογές».

Ένα εμπόδιο είναι το γεγονός πως τα υλικά που είναι υπεραγωγοί σε μεγάλες θερμοκρασίες δεν είναι ούτε ελατά ούτε και επιδέχονται εύκολα κατεργασία, όπως τα μέταλλα. Επίσης αυτά τα εύθραυστα υλικά δεν λυγίζουν εύκολα, πράγμα που είναι γνωστό σ’ όλους όσους έχουν ρίξει κάτω ένα κεραμικό ή πορσελάνινο πιάτο. Όμως, για να χρησιμοποιηθούν οι υπεραγωγοί σε πρακτικές εφαρμογές, πρέπει να μετατραπούν σε σύρματα και σε μεμβράνες. Για παράδειγμα, στους κομπιούτερ και στα ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα, θα έπρεπε να μετατραπούν σε μεμβράνες, πάχους μόλις μερικών κλασμάτων του εκατομμυριοστού του μέτρου. Οι κινητήρες και οι μαγνήτες απαιτούν λεπτά, εύκαμπτα σύρματα στις περιελίξεις τους και οι γραμμές μεταφοράς ρεύματος πρέπει να είναι δυνατές και ευλύγιστες.

Κάτι που περιπλέκει περισσότερο τα πράγματα είναι ότι οι επιστήμονες δεν είναι σίγουροι για το αν μπορούν τα υπεραγώγιμα υλικά να μεταφέρουν τις μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικού ρεύματος ή τα μεγάλα μαγνητικά πεδία, που απαιτούν πολλές από τις εφαρμογές. Όλοι οι υπεραγωγοί έχουν ένα οριακό σημείο, πάνω από το οποίο χάνουν την υπεραγωγιμότητά τους. Προς το παρόν, αυτό το οριακό σημείο είναι σχετικά χαμηλό. Πιθανόν να λυθούν όλ’ αυτά τα προβλήματα—όχι όμως και αύριο.

Υπάρχει ωστόσο και μια πιο δυσοίωνη πλευρά σ’ αυτό το ζήτημα. Ήδη, εξετάζεται η χρησιμοποίηση των υπεραγωγών σε όπλα σωματιδίων υψηλής ενέργειας ή όπλα κατευθυνόμενης ενέργειας, στο διαστημικό πόλεμο. Θα καταλήξει η υπεραγωγιμότητα να γίνει ευλογία, σύμφωνα με τις προβλέψεις και τις ελπίδες όλων, ή θα συμβεί και μ’ αυτήν ό,τι συνέβη και με άλλες επαναστατικές εφευρέσεις του παρελθόντος, σαν την πυρίτιδα και τη διάσπαση του ατόμου; Αυτό είναι ένα ερώτημα που προφανώς κανείς δεν είναι έτοιμος να απαντήσει.

[Υποσημειώσεις]

[Πλαίσιο στη σελίδα 21]

Οι Δυνατότητες των Υπεραγωγών

«Οι πρακτικοί υπεραγωγοί που ψύχονται με άζωτο θα μπορούσαν να γλιτώσουν τους κοινωφελείς οργανισμούς από έξοδα δισεκατομμυρίων και να εξοικονομήσουν αρκετή ενέργεια, με αποτέλεσμα να πέσουν σε αχρηστία 50 ή και περισσότεροι ηλεκτροπαραγωγικοί σταθμοί», λέει το Business Week. Οι υπεραγώγιμες γεννήτριες και γραμμές ρεύματος θα έκαναν επίσης δυνατή την κατασκευή ισχυρότερων ηλεκτροπαραγωγικών σταθμών πιο μακριά από τις πόλεις, πράγμα που θα μπορούσε να μειώσει τη μόλυνση, το κόστος και τον κίνδυνο.

Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες, που έχουν μικρό βάρος, θα έκαναν εφικτή την κατασκευή Μάγκλεβ, τρένων που κινούνται πάνω σ’ ένα στρώμα ηλεκτρομαγνητισμού—τα οποία αναπτύσσουν ταχύτητα μέχρι και 480 χιλιόμετρα την ώρα. Ηλεκτρικά αυτοκίνητα που κινούνται με αποδοτικούς υπεραγώγιμους κινητήρες θα μπορούσαν να μειώσουν την ατμοσφαιρική ρύπανση στις πόλεις. Ακόμη και πλοία μπορούν να κινηθούν με τέτοιους κινητήρες.

Ήδη αναπτύσσονται διατάξεις με υπεραγώγιμα μικροτσίπ που είναι χίλιες φορές ταχύτερες από τις κρυσταλλολυχνίες πυριτίου. Με τη χρησιμοποίηση τέτοιων τσιπ, οι κομπιούτερ του μέλλοντος θα είναι όχι μόνο ταχύτεροι αλλά και μικρότεροι, εφόσον θα έχει μειωθεί κατά πολύ η παραγόμενη θερμότητα. Οι επιτραπέζιοι κομπιούτερ θα είναι τόσο ισχυροί όσο και οι σημερινοί μεγαλύτεροι σε μέγεθος κομπιούτερ (mainframes).

Οι τομογράφοι NMR [nuclear magnetic resonance (πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού)] και τα όργανα μέτρησης του μαγνητικού πεδίου SQUIDs (superconducting quantum interference devices) είναι μηχανήματα που μπορούν να εισχωρήσουν στο ανθρώπινο σώμα και να ανιχνεύσουν τα εγκεφαλικά κύματα. Όταν θα χρησιμοποιούνται οι υπεραγωγοί, αυτά τα μηχανήματα θα γίνουν λιγότερο περίπλοκα και δαπανηρά, έτσι ώστε να μπορέσουν να τα αποκτήσουν τα απλά νοσοκομεία και οι κλινικές.

Οι δυνατότητες των υπεραγωγών είναι μεγάλες. Πόσες όμως απ’ αυτές θα γίνουν πραγματικότητα;

[Ευχαριστία για την προσφορά της εικόνας στη σελίδα 19]

ΙΒΜ Research