تم اكتشاف ظاهرة التوصيل الفائق لأول مرة من قبل الفيزيائي الهولندي هيك في عام 1911 وما زال مجالًا مهمًا لأبحاث الفيزياء. ستدخل الموصلات الفائقة حالة من المقاومة الصفرية في درجات حرارة منخفضة محددة وتُقاوم تمامًا للخصائص المغناطيسية (أي تأثير Meisner) ، لذلك تظهر إمكانات كبيرة في العديد من المجالات مثل انتقال الطاقة ، والتصوير الطبي (مثل التصوير بالرنين المغناطيسي) ، والبحث العلمي (مثل مسرعات الجسيمات). ومع ذلك ، فإن تحقيق حالات التوصيل الفائق عادة يتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية ، والنيتروجين السائل ، كوسيلة تبريد فعالة واقتصادية ، يلعب دورًا رئيسيًا في تطوير وتطبيق تقنيات التوصيل الفائق.
العلاقة بين التوصيل الفائق وبيئة درجة الحرارة المنخفضة
تظهر مواد التوصيل الفائقة خصائص توصيل فائقة فقط عندما تكون أقل من "درجة الحرارة الحرجة" (TC). كانت درجة الحرارة الحرجة للموصلات الفائقة المكتشفة في الأيام الأولى ، مثل الزئبق ، 4.2 ألف فقط (حوالي 268.95 درجة) ، ويجب أن تعتمد على الهيليوم السائل للتبريد. على الرغم من أن الهيليوم السائل فعال ، إلا أنه مكلف ومعقد في الإنتاج ، مما يحد بشكل خطير من الترويج الفعلي لتكنولوجيا التوصيل الفائق.
حدثت نقطة التحول في عام 1986 ، عندما اكتشف علماء IBM Copper - المرتفع - مواد توصيل درجات الحرارة الفائقة. تكون درجة الحرارة الحرجة لهذا النوع من المواد أعلى من درجة غليان النيتروجين السائل (77k ، أي . -196) ، لذلك يمكن استخدام النيتروجين السائل للتبريد. على الرغم من أن 77 ألفًا لا تزال تنتمي إلى فئة درجة الحرارة المنخفضة للغاية ، إلا أن تكلفتها وصعوبة التشغيلية تقل بشكل كبير مقارنة بالظروف المطلوبة للهيليوم السائل ، مما يضع الأساس لتكنولوجيا التوصيل الفائق للانتقال من المختبر إلى التطبيق العملي.
ثلاث مزايا للنيتروجين السائل تصبح "منتجًا ضروريًا"
1. التكلفة المنخفضة:
سعر السوق للنيتروجين السائل أقل بكثير من الهيليوم السائل ، وعادة ما يكون واحد فقط - العاشر أو حتى أقل من الأخير. النيتروجين هو المكون الرئيسي في الغلاف الجوي ، ويسهل فصله ومسائلًا ، غنيًا بالموارد والإمداد المستقر ؛ في حين أن الهيليوم هو مورد نادر وله ارتفاع تكاليف الاستخراج والتخزين.
2. السلامة والتشغيل المريح:
يتلخص النيتروجين السائل في 77 ألفًا ، مما يسهل تخزينه والتعامل معه من الهيليوم السائل (4.2 كيلو). لا يتطلب استخدام النيتروجين السائل معدات عزل معقدة للغاية ، كما أنه يقلل بشكل كبير من مخاطر التشغيل والتكاليف الناجمة عن التبخر السريع.
3. تم تكييفها على نطاق واسع مع مواد توصيل درجات الحرارة العالية:
تكون درجة الحرارة الحرجة للمواد الفائقة الموصل في درجة الحرارة العالية مثل الأكسجين النحاس الباريوم (YBCO) وأكسجين النحاس الكالسيوم البزموت (BSCCO) أعلى من 77 ألف ، مما يمكن أن يحقق الموصلية الفائقة في منطقة درجة حرارة النيتروجين السائلة. وهذا يجعل النيتروجين السائل مثاليًا للتبريد الفعلي لهذه المواد.
تحليل التطبيق والفوائد العملي
أظهرت أنظمة التوصيل الفائقة باستخدام تبريد النيتروجين السائل مزايا كبيرة في عدة مجالات:
1. انتقال الطاقة:
يمكن للكابلات الفائقة التوصيل تحقيق انتقال مقاومة تقريبًا. تشير الأبحاث إلى أنه إذا تم الترويج لانتقال الموصلات الفائقة في شبكة الطاقة العالمية ، فإن الفوائد الاقتصادية التي تجلبها تخفيض خسائر الطاقة يمكن أن تصل إلى مليارات الدولارات كل عام.
2. معدات التصوير الطبي:
تستخدم معدات التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي في الغالب مغناطيسات فائقة توصيل الهيليوم السائل ، وهو مكلف. بدأ الجيل الجديد من التصوير بالرنين المغناطيسي العالي- في استخدام النيتروجين السائل لتبريده ، مما لا يقلل من تكاليف التصنيع وصعوبات الصيانة فحسب ، بل يحسن أيضًا استقرار الجهاز وجودة الصورة.
3. الصناعة والبحث العلمي:
لا غنى عن المغناطيسات الفائقة الموصل في معدات البحث العلمية الكبيرة - مثل مسرعات الجسيمات وأدوات الرنين المغناطيسي النووي. أدى استخدام النيتروجين السائل إلى تقليل عتبة التشغيل بشكل كبير وطويل تكاليف التشغيل وصيانة هذه الأجهزة.
ملخص والتوقع
نظرًا لتكلفتها - ، وسهولة الاستخدام والتوافق الجيد مع مواد توصيل درجات الحرارة العالية - ، فقد أصبح النيتروجين السائل جزءًا لا غنى عنه من تطوير تقنية التوصيل الفائق. لا يعزز فقط تطبيق التوصيل الفائق من النظرية إلى الواقع ، ولكن أيضًا يعزز بشكل كبير التقدم التكنولوجي والابتكار في الصناعات ذات الصلة.
على الرغم من أن الأبحاث الحالية تستمر في استكشاف مواد توصيل فائقة مع ارتفاع درجات حرارة حرجة وحتى متابعة حلم درجة حرارة الغرفة ، فقد قدم النيتروجين السائل ، كوسيلة تبريد موثوقة وفعالة ، حلولًا عملية في ظل الظروف التقنية الحالية. في المستقبل ، مع وجود المزيد من الاختراق في مواد التوصيل الفائقة وتقنيات التبريد ، من المتوقع أن يكون للأنظمة الفائقة الموصل السائلة- تأثير أكثر عمقًا في مجالات الطاقة والرعاية الطبية والنقل وما إلى ذلك.
