elektrická energie bez straty fyzika prelom
Gemini

Predstav si elektrické vedenie, ktorým prúd tečie bez akejkoľvek straty energie. Žiadne zahrievanie, žiadne premrhané kilowatty, žiadne náklady na chladenie. Práve tento sen fyzikov a inžinierov poháňa výskum supravodivosti už desaťročia.

Moderná civilizácia spotrebúva obrovské množstvo elektrickej energie, pričom jej značná časť sa pri prenose stratí v podobe tepla. Keby sme dokázali tento problém vyriešiť, zmenilo by to celú energetiku od základov.

Priblíženie k izbovej teplote

Výskumníci z Argonne National Laboratory, patriaceho pod americké ministerstvo energetiky, identifikovali, ako drobné zmeny v štruktúre materiálu zvaného superhydrid ovplyvňujú jeho schopnosť viesť elektrinu bez odporu. Kľúčovým zistením je, že už nepatrné úpravy usporiadania atómov v kryštalickej mriežke dokážu posunúť hranice teploty, pri ktorej k tomuto javu dochádza.

Tím skúmal lantánový superhydrid, do ktorého pridal malé množstvo kovového prvku ytria, čím sa mu podarilo zvýšiť stabilitu materiálu a zároveň znížiť tlak potrebný na dosiahnutie supravodivosti.

Mimoriadne dôležité je to aj z pohľadu bežnej spotreby elektriny, pretože ako sme informovali v samostatnom článku o najväčších žrútoch energie v slovenských domácnostiach, obrovské množstvo elektriny dnes mizne na zdanlivo nenápadných zariadeniach, ako sú staré obehové čerpadlá, elektrické sporáky či mrazničky. Práve preto je výskum supravodičov taký zásadný.

Práve preto je výskum supravodičov taký zásadný. Patria k najzaujímavejším materiálom modernej fyziky. Dokážu viesť elektrický prúd úplne bez odporu, čo znamená, že sa pri tom neuvoľňuje žiadne teplo a energia sa nestráca. Práve preto sa využívajú napríklad v zariadeniach ako magnetická rezonancia, v časticových urýchľovačoch alebo vo výskume magnetickej levitácie.

Energia sa nestráca len doma, mizne aj cestou k nám

V domácnostiach sa energiou najviac plytvá tam, kde ju často ani nevnímame. Podľa údajov z Eurostatu, v EÚ smerovalo v roku 2023 až 62,5 % energie v domácnostiach na vykurovanie priestorov, ďalších 15,1 % na ohrev vody a 14,5 % na svietenie a elektrické spotrebiče. Najväčšie straty tak nevznikajú len pri „veľkých“ technológiách, ale aj pri bežných návykoch: prekurovaní bytov, slabšej izolácii, zbytočne vysokej teplote vody či neefektívnych spotrebičoch.

Ešte väčší problém je však v tom, že energia sa stráca skôr, než sa vôbec dostane k človeku domov. Podľa údajov spoločnosti SEPS, ktorá prevádzkuje slovenskú prenosovú sústavu, dosiahli straty v prenosovej sústave v roku 2023 hodnotu 324,704 GWh, čo predstavovalo 1,06 % z prenesenej elektriny. Inak povedané, časť elektriny sa stratí už počas samotného presunu cez sieť, ešte predtým, než ju spotrebuje domácnosť, firma či priemysel. Nejde pritom o zanedbateľné číslo, ale o systémový problém, ktorý je prirodzeným dôsledkom odporu vedení a premeny časti energie na teplo.

Keď sa na to pozrieme v širšom európskom kontexte, problém je ešte väčší. Eurostat ďalej uvádza, že v roku 2023 sa ku konečným používateľom v EÚ dostalo len 67 % dostupnej energie, zatiaľ čo zvyšok sa stratil najmä pri výrobe elektriny a jej distribúcii, prípadne sa spotreboval priamo v energetickom sektore.

Problémom však je, že väčšina dnes známych supravodičov funguje len pri extrémne nízkych teplotách, zhruba mínus 196 stupňov Celzia. To si vyžaduje drahé a technicky náročné chladiace systémy, čo zásadne obmedzuje ich masové využitie.

Superhydridy posunuli túto hranicu výrazne vyššie. Dokážu dosiahnuť supravodivosť pri teplote okolo mínus 12 stupňov Celzia, čo je v porovnaní s predchádzajúcimi materiálmi obrovský pokrok smerom k izbovej teplote. Stále však vyžadujú enormný tlak, približne 1,4 milióna násobku bežného atmosférického tlaku. Práve to zostáva hlavnou prekážkou na ceste k ich praktickému nasadeniu v reálnom svete.

UIC Today

Na to, aby mohli vedci tieto materiály vôbec skúmať, stlačili mikroskopicky malú vzorku pomocou dvoch diamantových čeľustí. Tento prístroj, nazývaný „diamond anvil cell“, je schopný generovať tlak až päť miliónov atmosfér.

Následne na vzorku nasmerovali výkonný röntgenový lúč zo zariadenia Advanced Photon Source, jedného z najvýkonnejších röntgenových generátorov na svete, ktoré sa nachádza priamo v Argonne. Nedávna rozsiahla modernizácia tohto zariadenia umožnila vedcom sledovať štruktúru materiálu na úrovni jednotlivých atómov s presnosťou, ktorá predtým nebola možná.

Nové možnosti v každom odvetví

Výsledky prekvapili aj samotných výskumníkov. V skúmanom materiáli objavili nie jednu, ale dve odlišné kryštalické štruktúry, pričom každá z nich vykazovala supravodivosť pri trochu inej teplote. Tento nález mení doterajšie chápanie supravodičov. Ukazuje totiž, že supravodivosť nie je pevne danou a nemennou vlastnosťou materiálu.

Dá sa ladiť samotným usporiadaním atómov, a to bez toho, aby sa menilo jeho chemické zloženie. To otvára nové možnosti, ako cielene navrhovať materiály s požadovanými vlastnosťami priamo na mieru.

Vedci si dobre uvedomujú, že extrémny tlak zostáva najväčšou praktickou prekážkou. Ich ďalším krokom bude preto pridanie ďalších chemických prvkov do štruktúry superhydridu, čo by mohlo potrebný tlak ešte viac znížiť. Každý takýto krok nás posúva bližšie k materiálu, ktorý by fungoval v bežných podmienkach.

Ak sa to niekedy podarí, výsledky budú revolučné. Bezstratový prenos elektrickej energie by výrazne znížil energetickú spotrebu, medicínske prístroje by sa stali dostupnejšími a nové technológie v magnetickej doprave by mohli zmeniť spôsob, akým sa pohybujeme po svete.

Čítajte viac z kategórie: Novinky

Pošli nám TIP na článok



Teraz čítajú