Czy zastanawialiście się kiedyś dlaczego nie mamy elektrycznych samolotów pasażerskich? Dlaczego nie wykorzystujemy fuzji termojądrowej, czystej i bezpiecznej produkcji energii zachodzącej na Słońcu, do zasilania naszych domów i przemysłu? Dlaczego pomimo wielu lat rozwoju nie udało nam się ustanowić ludzkiej obecności poza niską orbitą okołoziemską? Odpowiedź na to pytanie to, ogólnie rzecz biorąc, brak odpowiednich materiałów.

Czy nadprzewodniki, materiały, które wykazują zerową oporność, mogą być odpowiedzią? Jeśli wyeliminujemy straty rezystywne w naszych przewodach, będziemy mogli budować maszyny o gęstej energii i umożliwiać wyjątkowo wydajne urządzenia. Maszyny nadprzewodnikowe mogłyby wtedy napędzać samoloty pasażerskie, umożliwić budowę reaktorów z tak silnymi polami, by wytwarzały energię, czy pędników kosmicznych i osłon chroniących astronautów przed szkodliwym promieniowaniem i wiele, wiele innych…

Krótka historia nadprzewodników

Nadprzewodniki mogłyby naprawdę zmienić świat. Jednak nie kupujcie jeszcze biletów na misję w kosmos. Nadprzewodniki zostały odkryte prawie 100 lat temu i dopiero niedawno zaczęły wchodzić do użytku w przemyśle. Głównym problemem związanym z nadprzewodnikami jest ekstremalna temperatura wymagana do osiągnięcia i utrzymania stanu nadprzewodnictwa. Materiał musi być schłodzony niemal do zera absolutnego (-273 C), co przez lata było osiągalne tylko w specjalistycznych laboratoriach. Przełom nastąpił w latach 80-tych, kiedy odkryto nową rodzinę związków opartych na tlenkach miedzi (miedzianach). Zostały one entuzjastycznie nazwane „nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi”. Dość myląca nazwa, gdyż stan nadprzewodnictwa osiąga się w temperaturze 77 K (-196 C). Temperatura ta była jednak wystarczająco wysoka, aby umożliwić zastosowanie powszechnie dostępnych i tanich kriogenów, takich jak ciekły azot. Wszyscy spodziewali się, że przemysłowe zastosowanie nadprzewodników jest tuż za rogiem. Jednakże, jako że materiał jest ceramiczny, ma dwie niekorzystne cechy; jest z założenia dobrym izolatorem poza stanem nadprzewodnictwa i trudno się go obrabia. W efekcie nawet niewielki wzrost temperatury zmieni nadprzewodnik w rezystor niszcząc urządzenie. Drugim problemem jest to, że materiały te są kruche i dlatego trudno je uformować w drut. W rzeczywistości, dopiero niedawno proces przemysłowy dojrzał na tyle, by osiągnąć stan, w którym nadprzewodnikowe kable mogą być produkowane na masową skalę.

Rys. 1 Taśma nadprzewodząca

Dzisiejszy świat potrzebuje maszyn nadprzewodnikowych jak nigdy dotąd. Główne problemy, takie jak zmiany klimatyczne i rosnące zużycie energii, nie mogą być rozwiązane za pomocą obecnych technologii. Urządzenia te są jednak wciąż we wczesnej fazie rozwoju i nie sprawdziły się w warunkach operacyjnych. Zmiana nie nastąpi w formie rewolucji, ale raczej ewolucji poprzez badania i rozwój nowych, bardziej złożonych prototypów nadprzewodnikowych.

Co z lotnictwem i kosmonautyką?

Marzenie o efektywnym sposobie pokonywania ogromnych odległości przestrzeni kosmicznej towarzyszy nam od dziesięcioleci. Czy możemy je zrealizować dzięki zastosowaniu materiałów o dużej gęstości energetycznej, takich jak nadprzewodniki?

Urządzenia nadprzewodnikowe do zastosowań kosmicznych będą miały te same założenia projektowe, przy czym chłodzenie nadal będzie stanowić poważne wyzwanie. Można powiedzieć, że temperatura w przestrzeni kosmicznej jest wystarczająco zimna dla nadprzewodników, ale nie jest to wystarczające… Przestrzeń kosmiczna jest całkiem pusta, a próżnia jest doskonałym izolatorem. W rzeczywistości nasze sztuczne

satelity mają tendencję do przegrzewania się, ponieważ ciepło generowane na pokładzie i dostarczane ze Słońca nie może opuścić systemu. Na domiar złego, obecność płynów kriogenicznych, takich jak ciekły azot, komplikuje konstrukcję satelity. Ślizgający się płyn może zdestabilizować satelitę i należy zachować szczególną ostrożność, aby nie doszło do wycieków ani parowania. Jednym z rozwiązań może być zastosowanie kombinacji pasywnych osłon i miniaturowych chłodnic mechanicznych [1]. Szczególnie ta druga technologia w ostatnich latach znacznie się rozwinęła i kilka ekspedycji [2] pokazało, że możliwe jest zarządzanie warunkami kriogenicznymi w środowisku ziemsko-orbitalnym. Po raz pierwszy w historii możemy realnie myśleć o budowie nadprzewodnikowych urządzeń kosmicznych, co otwiera cały szereg nowych możliwości.

Rys. 2 Nadprzewodnikowy pędnik magnetoplazmadynamiczny w akcji, za pozwoleniem – Chris Acheson i Ryota Nakano

Przede wszystkim możemy zbudować nadprzewodnikowe silniki elektryczne. Pędniki te mogą być wykorzystane do wynoszenia ładunków na nowe, ambitne cele, przy użyciu ułamka ilości materiału pędnego wymaganego przez rakiety chemiczne. Pędniki o niewielkich rozmiarach, wykorzystujące silne pola magnetyczne, będą w stanie rozpędzić materiał napędowy do prędkości 10 000s m/s. Taka najnowocześniejsza technologia jest obecnie rozwijana w Chinach, Japonii, Rosji, Niemczech i Nowej Zelandii.

Przyszłość materiałów nadprzewodnikowych to nie tylko systemy napędowe. Zaproponowano wiele różnych zastosowań, w tym osłony przed promieniowaniem, magazynowanie energii i żagle magnetyczne; każde z nich ma potencjał, by zmienić nasze spojrzenie na eksplorację kosmosu i czeka na dalszy rozwój. Po pierwsze, musimy pokazać, że możemy eksploatować nasze nadprzewodniki w warunkach kosmicznych. Ważny etap dla nadprzewodnikowych urządzeń kosmicznych nastąpi w 2025 roku [3], kiedy to pierwszy magnes nadprzewodnikowy poleci w kosmos i pokaże swoją funkcjonalność na pokładzie International Space Station. Ta demonstracja pokaże funkcjonalność materiałów, jak i całego zespołu magnesu w środowisku kosmicznym. Czy może to być początek nowej ery w inżynierii kosmicznej, której katalizatorem będzie wykorzystanie nadprzewodników wysokotemperaturowych?

Bibliografia

1. Ross, R.G., Boyle, R.F. (2003). NASA Space Cryocooler Programs—An Overview. In: Ross, R.G. (eds) Cryocoolers 12. Springer, Boston, MA., https://www2.jpl.nasa.gov/adv_tech/coolers/Cool_ppr/C12-2002%20NASA%20Overview.pdf
2. Berg, Jared, (NASA Kennedy Space Center Cocoa Beach, FL, United States), KSC-2013-107, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20130013661/downloads/20130013661.pdf
3. “Partnership to launch ground-breaking superconducting magnet in space”, Wellington Faculty of Engineering https://www.wgtn.ac.nz/engineering/news/partnership-to-launch-ground-breaking-superconducting-magnet-in-space