Hiện tượng siêu dẫn lần đầu tiên được phát hiện bởi nhà vật lý Hà Lan Heck Ones vào năm 1911 và vẫn là một lĩnh vực quan trọng của nghiên cứu vật lý. Các chất siêu dẫn sẽ đi vào trạng thái kháng 0 ở nhiệt độ thấp cụ thể và có khả năng chống lại các tính chất từ tính hoàn toàn (nghĩa là hiệu ứng Meisner), vì vậy chúng cho thấy tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực như truyền năng lượng, hình ảnh y tế (như MRI), nghiên cứu khoa học (như gia tốc hạt). Tuy nhiên, đạt được các trạng thái siêu dẫn thường đòi hỏi nhiệt độ cực thấp và nitơ lỏng, như một môi trường làm mát hiệu quả và tiết kiệm, đóng vai trò chính trong việc phát triển và áp dụng các công nghệ siêu dẫn.
Mối quan hệ giữa môi trường siêu dẫn và nhiệt độ thấp
Các vật liệu siêu dẫn thể hiện các đặc tính siêu dẫn chỉ khi chúng ở dưới "nhiệt độ tới hạn" (TC). Nhiệt độ tới hạn của chất siêu dẫn được phát hiện trong những ngày đầu, chẳng hạn như thủy ngân, chỉ là 4,2k (khoảng -268,95 độ), và phải dựa vào helium lỏng để làm mát. Mặc dù helium lỏng là hiệu quả, nhưng nó rất tốn kém và phức tạp trong sản xuất, điều này hạn chế nghiêm trọng việc thúc đẩy công nghệ siêu dẫn thực sự.
Bước ngoặt xảy ra vào năm 1986, khi các nhà khoa học IBM phát hiện ra đồng - dựa trên cao - vật liệu siêu dẫn nhiệt độ. Nhiệt độ tới hạn của loại vật liệu này cao hơn điểm sôi nitơ lỏng (77K, IE . -196 độ), do đó nitơ lỏng có thể được sử dụng để làm mát. Mặc dù 77K vẫn thuộc loại nhiệt độ cực thấp, nhưng chi phí và độ khó hoạt động của nó bị giảm đáng kể so với các điều kiện cần thiết cho helium lỏng, đặt nền tảng cho công nghệ siêu dẫn để chuyển từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng thực tế.
Ba ưu điểm của nitơ lỏng trở thành một "sản phẩm cần thiết"
1. Chi phí thấp:
Giá thị trường của nitơ lỏng thấp hơn nhiều so với helium lỏng, thường chỉ có một - thứ mười hoặc thậm chí thấp hơn so với sau này. Nitơ là thành phần chính của khí quyển, dễ tách biệt và hóa lỏng, giàu tài nguyên và nguồn cung ổn định; Trong khi Helium là một nguồn tài nguyên khan hiếm và có chi phí khai thác và lưu trữ cao.
2. Hoạt động an toàn và thuận tiện:
Các nitơ lỏng sôi ở mức 77K, giúp lưu trữ và xử lý dễ dàng hơn so với helium lỏng (4.2K). Việc sử dụng nitơ lỏng không đòi hỏi thiết bị cách nhiệt cực kỳ phức tạp, và nó cũng làm giảm đáng kể rủi ro và chi phí hoạt động do bay hơi nhanh.
3. Thích nghi rộng rãi với các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao -:
Nhiệt độ tới hạn của các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ - như oxy đồng yttri barium (YBCO) và oxy đồng Bismuth strontium canxi (BSCCO) cao hơn 77K, có thể đạt được độ siêu dẫn trong Zone nhiệt độ nitơ. Điều này làm cho nitơ lỏng lý tưởng cho việc làm mát thực tế của các vật liệu như vậy.
Ứng dụng thực tế và phân tích lợi ích
Các hệ thống siêu dẫn sử dụng làm mát nitơ lỏng đã cho thấy những lợi thế đáng kể trong một số lĩnh vực:
1. Truyền năng lượng:
Cáp siêu dẫn có thể đạt được truyền tải điện trở gần như bằng không. Nghiên cứu cho thấy rằng nếu truyền siêu dẫn được thúc đẩy trong lưới điện toàn cầu, các lợi ích kinh tế mang lại do giảm tổn thất năng lượng có thể đạt hàng tỷ đô la mỗi năm.
2. Thiết bị hình ảnh y tế:
Thiết bị MRI truyền thống chủ yếu sử dụng nam châm siêu dẫn làm mát helium lỏng, rất tốn kém. Thế hệ mới của MRI siêu dẫn nhiệt độ mới- đã bắt đầu sử dụng nitơ lỏng để làm mát, không chỉ làm giảm chi phí sản xuất và khó khăn bảo trì, mà còn cải thiện sự ổn định và chất lượng hình ảnh của thiết bị.
3. Nghiên cứu ngành công nghiệp và khoa học:
Nam châm siêu dẫn là không thể thiếu trong các thiết bị nghiên cứu khoa học quy mô lớn - như máy gia tốc hạt và dụng cụ cộng hưởng từ hạt nhân. Việc sử dụng nitơ lỏng đã làm giảm đáng kể ngưỡng hoạt động và dài - Chi phí bảo trì và bảo trì của các thiết bị này.
Tóm tắt và triển vọng
Do chi phí của nó - Hiệu quả, dễ sử dụng và khả năng tương thích tốt với các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ- cao, nitơ lỏng đã trở thành một phần không thể thiếu trong sự phát triển của công nghệ siêu dẫn. Nó không chỉ thúc đẩy việc áp dụng siêu dẫn từ lý thuyết sang thực tế, mà còn thúc đẩy đáng kể tiến bộ công nghệ và đổi mới trong các ngành công nghiệp liên quan.
Mặc dù nghiên cứu hiện tại tiếp tục khám phá các vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao hơn và thậm chí theo đuổi giấc mơ siêu dẫn nhiệt độ phòng, nitơ lỏng, như một môi trường làm mát đáng tin cậy và hiệu quả, đã cung cấp các giải pháp thực tế trong điều kiện kỹ thuật hiện tại. Trong tương lai, với sự đột phá hơn nữa của các vật liệu siêu dẫn và công nghệ làm mát, nitơ lỏng - Các hệ thống siêu dẫn được làm mát được dự kiến sẽ có tác động sâu sắc hơn trong các lĩnh vực năng lượng, chăm sóc y tế, vận chuyển, v.v.
