超导体的超能力

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超导体(黑色)的特殊特性导致磁铁(银)浮动。伯尼安哈伯德/社会科学

今年夏天,与西北部的可持续发展和能源的倡议(iseN)合作,社会科学将在能源和可持续发展领域进行四位创新者 - 利用科学和工程力量的研究人员更好地理解甚至解决一些我们星球面临的许多挑战。本周,我们专业教授和过去的伊森奖接受者威廉洛珀林,他研究超导体的性质和潜力。

超导体 - 可以进行电流的特殊金属,没有能量损失 - 可能有一天可能对美国和世界各地的能力传播有巨大的影响。他们还可能导致医学成像,药物分析甚至电信的巨大创新。

虽然有限数量的超导体已经被引入电网,但仍有很多工作要做,特别是了解这些化合物的实际工作原理以及如何改进它们。《社会科学》采访了西北大学物理学教授约翰·埃文斯哈尔佩林,了解更多信息。

威廉·霍尔柏林威廉·霍尔柏林什么是超导体?
导体是一块携带电荷的金属,就像铜携带电荷一样。电流铜线为你的电脑、电灯等提供能量。

超导体就像这样除了对电荷没有阻力。因此,当电流通过导体时,不会产生热量。这是件好事,因为我们不会在加热导线的过程中损失任何能量。如果你只是把电脑连在墙上,这似乎不是问题,但如果你把电流从尼亚加拉大瀑布传导到纽约市,那就成了问题。尼亚加拉大瀑布的水力发电中有百分之七的能量在流向纽约市的途中丢失了。

所以超导体可能是有效传输能量的真正解决方案?
完全正确。实际上,超导体已经被引入电网。有一个项目在长岛的电网中使用了大量的超导电缆。所以这种可能性不仅仅是未来的。

超导体的其他好处是什么?
超导体以比铜的更紧凑的形式承载电流。这意味着您的电线,而不是与从墙到电脑的墙壁一样厚,这将是更小的数量级。这可能不会让您成为关键组成部分,因为您实际上并没有将这么多空间投入到办公室的电线中。但是,当你谈论提供纽约市所需的力量时,那么你有不同的事情。我们正在接近世界主要城市的限制,在那里无法适应更多的电线。能量流动达到其最大空间约束量。这是一个关键的计划问题。

同样重要的是电可以被导向一个或另一个应用的速度。当出现故障时,这对电网从一个地区向另一个地区转移电力的稳定性有着直接的影响。它们被称为故障限制器,超导故障限制器要优越得多。

另一个应用是在手机行业。手机行业需要我们所说的带宽——为更多的客户提供更多的通信线路。这意味着你必须把谈话内容压缩到一个狭窄的频率范围内,频率就是信息的“导体”。这些导体是根据需要多少频率来描述的,就像电类比中的导线数量一样。我们称之为带宽。

这里的超导应用是用超导体制造的过滤器可以比传统滤波器更精确地切割带宽。因此,我们可以将更多信息传输到相同的频率带宽中。

在发展超导体的问题中,使他们对我们的社会产生影响,有两个方面,其中一个方面是对这个过程的基本了解。第二次是利用该基础科学[换]可行性研究,并最终在市场或社会背景下执行。

你和你的实验室专注于哪一方面?
我主要是一个基础科学工作者,至少在超导领域。

我们正在研究一种称为高温超导体的材料。我应该提到“高”是一个相对术语。通过“高”我的意思是,在超导状态下保持材料所需的低温(非常低温)要求不太严重

所以超导体只能在非常非常低的温度下导电?
绝对的。让我们更具体一点。高和低的区别在于它是在液氮(基本上是液体)空气的温度下导电,还是在你需要液氦的温度下导电。对于标准的低温超导体,它们的工作温度在绝对零度10度左右,而要达到这个温度,唯一的办法就是用液态氦来冷却。但是氦不是那么容易获得的。而且液氮的成本要低得多。大约是原来的10倍。

我们正在研究的高温超导体是一种特殊的化合物——铋、锶、钙、铜和氧。最后两个元素是最重要的——铜和氧。它们是所有高温超导体的关键组成部分。

氧气尤为重要。氧气的小变化使其变得更好或更糟。我们称之为最佳值,以获得您进入系统的氧气量。What we’ve found in the last month is that it’s not just the amount of oxygen you put in, but how you put it in. The combination of what temperature you heat it to and the pressure of oxygen you use–that history, we found, is quite important

通过学习这些材料,你想学习什么?
我的专业领域是超导的高磁场应用。其中一个问题是,如果它们所在的磁场很大,这些超导体在没有能量损失的情况下会如何表现?

你可能会说,你所知道的尼亚加拉瀑布和纽约市之间并没有很大的磁场,这是正确的。所以这对电力传输来说可能不是问题。但这并不是超导的唯一应用。

一个特别相关的方法是利用电流通过导线产生磁场。医院的磁共振成像仪依赖稳定可靠的磁场。在药物的化学分析和潜在药物在生物化学、药理学和分析化学领域的应用中,需要更高的磁场。这些非常大的磁场产生了具有相应高分辨率的分析。推动应用超导的关键之一是[提高]这种分析技术的能力,称为核磁共振,到前所未有的高水平。但这需要非常大的磁场。

您的工作已由西北部的可持续性和能源的倡议部分资助(Isen)。这笔资金如何进一步研究您的研究?
我在超导地区有两个能量补助。我当时申请并获得了ISEN资助的时候有一个较小的人。由于ISEN资金,该项目增加了50%,我刚刚听到几周前听到的,未来三年每年增加8%。这是一个严重预算限制的时间内的好消息。然后,第二个项目与来自巴黎圣母院大学的同事合作,这是伊森资助的直接可能的。所以这是所有积极的消息,我们能够利用我们的知识资源来尝试制定对超导性的基本理解。

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