Światowy kryzys energetyczny a nadprzewodniki absolutnie niezbędne absolutne zero oporności

Transkrypt

1 Karol Fijałkowski 1, Wojciech Grochala Wydział Chemii i ICM, Uniwersytet Warszawski Światowy kryzys energetyczny a nadprzewodniki absolutnie niezbędne absolutne zero oporności Wstęp W ostatnim czasie coraz częściej się słyszy o problemach światowej energetyki. Media, ekolodzy i specjaliści ostrzegają, że zasoby paliw kopalnych (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny) stanowiących podstawę współczesnej cywilizacji wkrótce się wyczerpią a przecież zapotrzebowanie na energię wciąż rośnie (Rys. 1). Ponadto wzrost emisji gazów cieplarnianych ma spowodować znaczne ocieplenie klimatu, a co za tym idzie topnienie lodowców i wzrost poziomu morza zalewającego tereny przybrzeżne. Wzrost emisji CO 2 jest z grubsza proporcjonalny do przyrostu PKB danego kraju, a przecież każdemu zależy na systematycznym przyroście gospodarki Sytuacja wydaje się być poważna. Światowy bilans energetyczny mógłby jednak zostać poprawiony poprzez wyeliminowanie strat energii w czasie jej transportu oraz poprawienie wydajności stosowanych technologii. Dałoby to oddech gospodarce bez potrzeby zwiększania wydobycia paliw. Szacuje się, że przeciętnie wykorzystuje się jedynie 30% energii elektrycznej możliwej do uzyskania z paliw kopalnych, pozostałe 70% traci się podczas wytwarzania energii z małą wydajnością oraz podczas jej przesyłu; prowadzone są zatem badania mające na celu zwiększenie wydajności procesów produkcji. Istnieje również rozwiązanie umożliwiające przesyłanie energii elektrycznej bez najmniejszych strat nadprzewodniki. Rys. 1. Światowe zużycie energii w ostatnich 150 latach (w terawatogodzinach). 1 Karol Fijałkowski: fijalkowski@chem.uw.edu.pl

2 Zasoby energetyczne rozwijającego się świata Zasoby paliw kopalnych są ograniczone i szybko się wyczerpują. Szacuje się, że węgla kamiennego starczy nam na 500 lat, zaś ropy naftowej i gazu ziemnego na zaledwie 50 lat! Już teraz trwa agresywna walka o nowe złoża paliw (np. w Grenlandii) i stosowany jest przez niektóre kraje polityczny szantaż z wykorzystaniem argumentów energetycznych. Kończące się paliwa płynne to problem szczególnie poważny dla przemysłu samochodowego, ponieważ mimo ciągłego rozwoju nowych technologii samochody spalinowe są wciąż najtańsze i najprostsze w eksploatacji. Węgiel jest bardziej istotny dla sektora energetycznego. Wydajność elektrowni węglowych nie przekracza obecnie 35%, a przesył energii cieplnej i elektrycznej na duże odległości generuje dalsze straty. Podczas spalania węgla powstają niestety ogromne ilości gazów cieplarnianych oraz tlenków siarki i azotu powodujących kwaśne deszcze. Można jednak modernizować istniejące elektrownie oraz budować nowe, bardziej ekologiczne jednostki, przykładowo wydajność nowoczesnych elektrowni zasilanych gazem ziemnym sięga 50%. Znana jest również, choć chwilowo nieopłacalna, technologia zgazowywania węgla z wytworzeniem paliw płynnych. Zacznie ona jednak odgrywać realne znaczenie dopiero gdy ceny ropy znacznie wzrosną. Energetyka jądrowa Dziś ponad 60% sektora energetycznego oparte jest na paliwach kopalnych, jedynie 40% energii jest czerpane z innych źródeł. Wśród alternatywnych źródeł energii najważniejszy jest sektor energetyki jądrowej (prawie 20% calkowitej produkcji energii). Energia uzyskiwana w elektrowniach jądrowych jest tania a jej źródła (rudy uranu) wydają się olbrzymie. Co więcej elektrownie jądrowe nie zanieczyszczają powietrza i nie emitują gazów cieplarnianych. W latach 60-tych XX wieku wydawało się, że całkowite przestawienie energetyki na technologię nuklearną jest jedynie kwestią czasu (konstruowano nawet samochody napędzane miniaturowymi reaktorami jądrowymi). Energetyka jądrowa niesie jednak ze sobą poważne zagrożenia. Odpady nuklearne, choć objętościowo niewielkie, są niezwykle niebezpieczne: są promieniotwórcze a ich rozkład trwa setki lat. Składuje się je w specjalnie przygotowanych strefach, często w zamkniętych kopalniach, tak by nie miały styczności ze środowiskiem. Elektrownie nuklearne są bardzo nowoczesnymi obiektami wyposażonymi w systemy bezpieczeństwa, a mimo to wielokrotnie dochodziło do awarii i skażenia środowiska (Czarnobyl, Fukushima) dlatego niektóre kraje (np. Niemcy) powoli wycofują się z technologii jądrowych. Innym aspektem jest możliwość produkcji paliwa rozszczepialnego do produkcji bomb jądrowych przez kraje wspierające terroryzm. Mimo wszystkich swych niebezpieczeństw energetyka jądrowa pozostaje jedną z najbardziej wydajnych metod pozyskiwania energii. Obecna percepcja społeczna, wroga elektrowniom jądrowym, blokuje jednak dalszy rozwój sektora nuklearnego. Problemem jest również kwestia skali: całkowite przejście światowej energetyki z paliw kopalnych na energię jądrową oznaczałoby konieczność budowania jednej średniej wielkości elektrowni jądrowej co dzień (!).

3 Energia odnawialna Najbezpieczniejsze dla środowiska są odnawialne źródła energii. Do produkcji prądu elektrycznego wykorzystuje się tu siły przyrody, które są w pewnych aspektach niewyczerpane. Elektrownie wodne (około 7% całkowitej produkcji energii) znajdujące się przy zaporach rzecznych wykorzystują energię spiętrzonej wody. Budowa ogromnych elektrowni wodnych prowadzi jednak do nieodwracalnego niszczenia krajobrazu (np. Zapora Trzech Przełomów w Chinach). Elektrownie wiatrowe buduje się na obszarach nizinnych oraz nad brzegami mórz, tam gdzie wieją silne, stałe wiatry. Elektrownie słoneczne (oparte zarówno o baterie słoneczne jak i o termiczny wznios powietrza) znajdują zastosowanie na obszarach o bardzo dużym nasłonecznieniu, najczęściej na pustyniach. Tak zbudowane elektrownie nie wymagają żadnego paliwa a jedynie konserwacji. Nie zanieczyszczają środowiska, nie emitują gazów cieplarnianych ani nie wytwarzają zbyt wielu niebezpiecznych odpadów. Odnawialne źródła energii mają jednak zasadniczą wadę nie wszędzie da się zbudować elektrownię. Powoduje to znaczne oddalenie elektrowni od odbiorców energii elektrycznej i konieczność magazynowania energii (w postaci związków chemicznych) lub budowania długich linii przesyłowych. Są też inne wady. Przykładowo, dla baterii słonecznych jest to mała wydajność konwersji energii słonecznej na elektryczną, umiarkowanie długi czas życia oraz znaczna cena paneli słonecznych. Transport energii elektrycznej i nadprzewodnictwo Przesył energii elektrycznej na duże odległości generuje straty sięgające 10% i to mimo przesyłu prądu zmiennego. Straty spowodowane są oporem elektrycznym kabli przesyłowych. Mimo, że do produkcji kabli stosuje się miedź (metal o najlepszym przewodnictwie elektrycznym) straty w skali światowej są ogromne. Jedynym sposobem na ich wyeliminowanie jest zastosowanie materiału o zerowym oporze elektrycznym, czyli nadprzewodników. Od kilkunastu lat prowadzone sa prace nad praktycznym wykorzystaniem nadprzewodnikow do przesyłu energii elektrycznej na duże odległości. Np. w USA działa firma American Superconductor zajmująca się produkcją nadprzewodzących kabli elektrycznych. W 2001 roku otworzyła ona nadprzewodzącą linię przesyłową z elektrowni w okolicach Detroit do stacji rozdzielczej prądu na przedmieściach miasta (Detroit Edison Project). Linia jest na całej długości chłodzona ciekłym azotem i przesyła ogromne ilości energii elektrycznej bez jakichkolwiek strat. Koszt budowy oraz chłodzenia linii transferowej jest dużo niższy od oszczędności finansowych na przesyle energii, wiec całe przedsięwzięcie jest opłacalne już w skali kilkuletniej. Ta sama firma w 2008 roku uruchomiła nadprzewodzącą instalację transmisyjna o dlugosci 160 km na Long Island (Holbrook Superconductor Project). Palny budowy dalszych instalacji są w bardzo zaawansowanym stanie. Co to jest nadprzewodnictwo? Zjawisko nadprzewodnictwa odkrył Kamerlingh Onnes równo 100 lat temu w 1911 roku w Lejdzie w zorganizowanym przez siebie pierwszym na świecie laboratorium kriogenicznym

4 (Onnes skroplił hel zaledwie 3 lata wcześniej, w 1908 roku). Prowadził on pierwsze badania właściwości materii w temperaturze ciekłego helu (temperatura wrzenia ciekłego helu: 4,2 K; 269 C). Podczas badania rtęci zaobserwował, że w temperaturze ok. 4 K jej opór elektryczny nagle zmalał do zera (Rys. 2). Po dalszych badaniach okazało się, że zjawisko zaniku oporu elektrycznego poniżej pewnej temperatury (nazwanej później temperaturą krytyczną) jest obserwowane nie tylko dla rtęci. Rozpoczęto badanie samego zjawiska nadprzewodnictwa oraz szeroko zakrojone poszukiwania nowych nadprzewodników o wyższych temperaturach krytycznych. Odkryto nadprzewodnictwo dla kilku pierwiastków (Hg, Pb, Nb, V), stopów metali (Nb 3 Sn) oraz związków chemicznych (NbN, V 3 Si, Nb 3 Ge) lecz zjawisko to występowało wyłącznie w bardzo niskich temperaturach, nie przekraczających 20 K ( 253 C). Barierę 20 K pokonano dopiero w 1971 roku kiedy odkryto germanek niobu (Nb 3 Ge) o temperaturze krytycznej 23,2 K. Przez 60 lat poszukiwania wysokotemperaturowych nadprzewodników nie przyniosły oczekiwanych sukcesów. Mimo tego nadprzewodniki niskotemperaturowe (działające w temperaturze ciekłego helu) znalazły zastosowanie do konstrukcji silnych elektromagnesów wykorzystywanych w urządzeniach różnego typu (np. spektrometry NMR, magnetometry SQUID). Rys. 2. Ilustracja zaniku oporu elektrycznego dla prądu stałego poniżej temperatury krytycznej pierwszego znanego nadprzewodnika: rtęci. W 1933 roku Fritz Meissner i Robert Ochsenfeld odkryli, że nadprzewodniki poniżej temperatury krytycznej zachowują się jak idealne diamagnetyki są wypychane z pola magnetycznego. Już wcześniej odkryto, że odpowiednio silne pole magnetyczne może zniszczyć nadprzewodnictwo (tzw. pole krytyczne). Zjawisko wypychania z pola magnetycznego pozwala na lewitację nadprzewodników w polu magnetycznym (Rys. 3), co jest wykorzystywane do konstrukcji lewitujących pociągów magnetycznych poruszających się bez oporów po nadprzewodzących torach. Technologie takie są powszechnie wykorzystywane w transporcie kolejowym np. w Japonii.

5 Rys. 2. Nadprzewodnik YBCO schłodzony do temperatury ciekłego azotu lewitujący nad magnesem neodymowym. W 1986 roku doszło do najważniejszego przełomu w badaniu nadprzewodników, Georg Bednorz i Karl Müller odkryli zjawisko nadprzewodnictwa w tlenkach miedzi. Pierwszym z uzyskanych nadprzewodników ków był związek lantanu, baru, miedzi i tlenu (LBCO) o temperaturze krytycznej 35 K. Już rok później zsyntezowano nowy materiał oparty o itr, oznaczany skrótem YBCO, o temperaturze krytycznej 92 K, czyli wyższej niż temperatura wrzenia ciekłego azotu (78 K). ). Po raz pierwszy w historii nadprzewodnictwo weszło w erę stosowania taniego chłodziwa i wydawało się, że szybko zostaną odkryte nadprzewodniki działające w temperaturze pokojowej. Możliwość chłodzenia nadprzewodników ciekłym azotem znacznie zmniejszyła koszty eksploatacji (ciekły azot wymaga dużo prostszej aparatury i jest kilkukrotnie tańszy od ciekłego helu). W ciągu kolejnych 8 lat (do 1995 roku) zsyntezowano całą serię nadprzewodników miedzowych zawierających domieszki metali przejściowych. Rekordzistą Rekordzistą jest pochodna rtęci (HBCCO) o temperaturze krytycznej 135 K, a pod ciśnieniem 30 GPa aż 164 K, czyli tylko 109 C (Rys. 4). ). Niskie temperatury rutynowo uzyskiwane w laboratoriach chemicznych wydają się w być w zasięgu ręki ( 78 C 78 C czyli temperatura suchego suche lodu, 40 C 40 C czyli mieszanina chłodząca CaCl2/lód) lecz mimo bardzo intensywnych badan prowadzonych w ostatnim ćwierćwieczu nie udało się zsyntezować materiału, który wykazywałby tak wysokie temperatury krytyczne. Choć nie przesunięto rekordowej granicy 164 K to odkryto nadprzewodnictwo w wielu nowych układach, np. domieszkowany diament, MgB2, fulerydki metali (K3C60), arsenki żelaza (LaOFeAs), itp. Trwają prace nad kolejnymi modyfikacjami nadprzewodników miedziowych oraz nad syntezą zupełnie nowych, nieznanych nanych dotąd układów.

6 Rys. 3. Historia nadprzewodnictwa najważniejsze odkryte nadprzewodniki wraz z ich temperaturą krytyczną. Równolegle z poszukiwaniem nowych układów nadprzewodzących prowadzi się badania mające na celu wyjaśnienie zjawiska nadprzewodnictwa, którego nie da się opisać na bazie fizyki klasycznej. W 1957 roku John Bardeen, Leon Cooper i Robert Shreiffer przedstawili teorie opisującą zachowanie nadprzewodników (w skrócie teoria BCS). Nie tłumaczy ona jednak wszystkich obserwowanych zjawisk i nie stosuje się do wszystkich układów. Podsumowanie Na obecnym etapie rozwoju nauki nie jesteśmy w stanie zrozumieć samej istoty zjawiska nadprzewodnictwa. Wciąż nie wiemy dlaczego jedne układy są nadprzewodnikami o wysokich temperaturach krytycznych podczas gdy inne, podobne układy w ogóle nie wykazują właściwości nadprzewodzących. Wciąż wiele rzeczy czeka na odkrycie i wytłumaczenie. Co roku pojawiają się dziesiątki publikacji naukowych dotyczących nadprzewodnictwa, a każda z nich wnosi wkład w poznanie zjawiska. Miejmy nadzieję, że w niedalekim czasie odkryty zostanie nadprzewodnik o temperaturze krytycznej wyższej od temperatury pokojowej. A wówczas z dnia na dzień dojdzie na świecie do prawdziwej rewolucji energetycznej i technologicznej. Materiały wypracowane w ramach kolejnych edycji programu Ściśle ciekawa lekcja współfinansowanych w ramach programu polskiej współpracy rozwojowej Ministerstwa Spraw Zagranicznych RP. Materiały dostępne na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. Pewne prawa zastrzeżone na rzecz Fundacji Partners Polska.