Přichází revoluce? Supravodiče mohou změnit svět, nejnovější korejský objev však vzbuzuje řadu pochybností
Asi žádný vynález by tak nezměnil podobu světa, jako „zrušení“ elektrického odporu při pokojové teplotě. Autoři by měli Nobelovu cenu jistou a obrovský zájem investorů navrch. Zprávy o pokrocích v tomto snažení proto přicházejí téměř pravidelně. Zatím poslední zveřejnili koncem července vědci ze dvou jihokorejských ústavů.
Supravodivost, tedy vymizení elektrického odporu, není nic nového, ale zatím se jí v praxi daří docilovat jen při extrémně nízkých teplotách. Nevýhody obvykle převažují před výhodami, protože taková zařízení jsou drahá, velká, těžká a složitá. Ale kdyby se podařilo zbavit se odporu bez chlazení (tedy při pokojové teplotě), nejspíš by došlo ke stejné vědeckotechnické revoluci, jakou kdysi způsobil parního stroj.
Zkuste si to představit. S pomocí supravodivosti při běžné teplotě by například bylo možné stavět dálková vedení vysokého napětí, v nichž by nedocházelo k žádným ztrátám. Díky takovým vedením už by se vyplatilo třeba vyrábět elektřinu ze slunce na Sahaře a lacino ji dopravovat do Evropy.
Ale nejen to: bylo by možné také vyrábět lehké a výkonné akumulátory. Představa akumulátoru, do něhož by se proud prostě jen „nalil“ a v případě potřeby „čerpal“ (stejně jako třeba benzin v nádrži vozu) je lákavá, bohužel ale zatím daleko v říši sci-fi.
Stejně tak by bylo možné vyvinout nesmírně výkonné a přitom lehké, malé a úsporné elektromotory, dopravní prostředky vznášející se na magnetickém poli, mnohem výkonnější počítače, extrémně citlivé senzory... Dramaticky by klesla spotřeba elektřiny, protože by odpadly ztráty v rozvodech i strojích. Nejspíš by se objevily nové možnosti, jak ji lacino a ve velkém množství získávat. A skoro jistě i celá řada věcí, které si dnes ani neumíme představit.
Investoři jsou proto v pohotovosti; proti tomu, jaké by mohly být výnosy ze supravodivých technologií, které fungují při běžných teplotách a tlacích, by i příslovečný zlatý důl byl jen hromadou bezcenného kamení.
Úspěch s otazníky
Zatím posledním příslibem k naplnění tohohle snu je sdělení týmu vědců z Korean Society of Superconductivity and Cryogenics (Korejská společnost pro supravodivost a nízké teploty) a Quantum Energy Research Centre (Centrum pro výzkum kvantové energie). Tvrdí, že připravil materiál, který je supravodivý za pokojové teploty a při běžném tlaku. Ještě ke všemu při tom nepotřebovali žádné vzácné a drahé prvky, protože jde o sloučeninu skládající se z olova, kyslíku, mědi a fosforu. Označují ji jako LK-99.
Detailní složení a metoda výroby není pro laické čtenáře zajímavá, protože doma si ho docela určitě nenamícháte (i když by se takový supravodič kutilům jistě hodil). Důležitější je, že nevykazuje elektrický odpor až do teploty okolo 126 stupňů Celsia, tedy dokonce nad bod varu. Pokud je to pravda, znamenalo by to, že se hodí pro většinu běžných aplikací, aniž by potřeboval speciální chlazení. Materiál snů? Bohužel to zatím není moc jisté.
Především se články korejských vědců neobjevily na stránkách prestižních vědeckých časopisů, kde procházejí pečlivým recenzováním, ale na webu arXiv. Ten slouží jako jakási pojistka pro zajištění priority vědeckého objevu: text je zveřejněný rychle, a tak dává jasně najevo, kdo byl první, aniž by se ztrácel čas leckdy velmi zdlouhavým recenzním řízením. To ale má současně za následek, že zveřejněné práce nebývají brány moc vážně - nestalo by se poprvé, kdy by se „přelomový objev“ z arXiv ve skutečnosti ukázal být omylem, chybnou interpretací výsledků experimentů nebo něčím ještě horším.
Korejští vědci si ale byli takového rizika vědomi, a proto zveřejnili podrobné informace o složení, výrobním postupu i měření vlastností. Doufali, že další vědecké týmy jejich experimenty zopakují se stejnými výsledky, a tím jejich práci verifikují. Stal se ale pravý opak: v čínské Beihang University to zkusili a u LK-99 supravodivost nezaznamenali. Jihokorejští experti proto chtějí zřídit výbor, který by výsledky ověřil. Čeká se i na další vědecké týmy, které by byly ochotné nový materiál zkoumat. Ty se zatím ale moc nehrnou, protože z pravděpodobného vyvrácení korejských výsledků nic nekouká.
Zázraky v říši absolutní nuly
Supravodivost objevil roku 1911 holandský fyzik Hejle Kamerling-Onnes, když zkoumal tepelnou vodivost kovů ponořených do kapalného hélia, tedy při teplotách blízkých absolutní nule. Kamerlingh-Onnnes také při jednom ze svých pokusů naznačil úžasné možnosti tohoto jevu. Ve své laboratoři v holandském Leydenu pustil do závitu umístěného v kapalném héliu proudový impuls. Celé zařízení pak i s chladícím médiem převezl přes kanál La Manche do Cambridge. Měření provedené v přednáškovém sále slavné univerzity prokázalo, že proud vodičem stále obíhá. Za své práce týkající se fyziky extrémně nízkých teplot dostal Kamerlingh Onnes roku 1913 Nobelovu cenu.
V 50. letech přišli Američané J. Bardeen, R. Cooper a R. Schrieffer s teorií, která supravodivost vysvětlovala. Podle začátečních písmen jejich jmen se označuje jako teorie BCS. Tvrdí, velmi zjednodušeně řečeno, že za jev mohou páry elektronů (tzv. Cooperovy páry), které se v materiálu všechny dohromady chovají jako jediný celek. Autoři za teorii roku 1972 dostali Nobelovu cenu.
Později se ukázalo, že existují i tzv. supravodiče druhého typu, pro které tato teorie neplatí. Na rozdíl od prvního typu neztrácejí supravodivost ani v silných magnetických polích. Z praktického hlediska bylo přinejmenším stejně významné zjištění, že nulového elektrického odporu je možné dosáhnout i u materiálů, které si s vedením elektrického proudu nikdo moc nespojuje, například u organických sloučenin nebo keramických látek.
Roku 1987 dostali Karl Müller a Johannes Bednorz z laboratoří IBM Nobelovu cenu za pouhý rok starý objev supravodivosti keramického materiálu skládajícího se z lanthanu, barya, mědi a kyslíku. Nevšední rychlost práce nobelovské komise měla své opodstatnění: objev naznačoval, že supravodivost nezůstane jen hračkou mezi zdmi vědeckých laboratoří. Kritická teplota nového materiálu sice pořád byla pouhých 13 stupňů Kelvina, byl tu ale příslib, že půjde uměle vytvářet další látky s lepšími vlastnostmi.
Další Nobelova cena za supravodivost putovala roku 2003 k ruskému vědci Alexeji A. Abrikosovovi. Získal ji za teoretické vysvětlení tohoto jevu u supravodičů tzv. druhého typu, což jsou látky z hlediska zvyšování teploty obzvlášť perspektivní. Dodnes se ale nedaří uspokojivě vysvětlit supravodivost u všech materiálů.
Teplota stoupá
Dlouho bylo možné dosáhnout supravodivosti pouze při teplotách blízkých absolutní nule (ta je 273,16 stupňů Celsia). Později se ale podařilo připravit materiály, u nichž byla tzv. skoková teplota (tj. teplota, při níž mizí elektrický odpor) stále vyšší. Zpočátku však a rostla velmi pomalu a dlouho se zdálo, že nepůjde překročit hranici 23,3 stupňů Kelvina. Jenže vytoužená magická hranice ležela podstatně výš - tam, kde by bylo možné drahé kapalné hélium nahradit něčím dostupnějším, nejlépe tekutým dusíkem, který má bod varu 77 stupňů Kelvina (okolo -196 stupňů Celsia) a je podstatně levnější.
Poprvé se to povedlo Američanům čínského původu C. W. Chu a M. K. Wu z Houstonské univerzity, když u materiálu z lanthanu, barya, mědi a kyslíku dosáhl kritické teploty okolo 90 stupňů Kelvina. Brzy se fyzikům u materiálů s obsahem mědi a kyslíku podařilo dosáhnout supravodivosti okolo -130 stupňů Celsia. Z hlediska běžného smrtelníka pořád ještě pořádný mráz, ale velký úspěch na strastiplné cestě od absolutní nuly k nule obyčejné. Díky tomu bylo možné nahradit složité a těžké chlazení drahým a vzácným héliem jednoduššímu aparaturami s dusíkem, který je všude kolem nás. Cesta k praktickému využití supravodivosti se konečně otevřela.
V prosinci 2011 web superconductors.org zveřejnil senzační zprávu Joea Ecka o pozorování supravodivosti při teplotě 28 stupňů Celsia, tentokrát konečně nad nulou. A to už jsou podmínky, v nichž nám obvykle bývá horko. Ani tentokrát se to však neobešlo bez hodně velkého „ale“. Šlo o komplikovanou sloučeninu mědi, kyslíku, hořčíku, barya, olova a thalia a jev se projevil pouze v nepatrných oblastech vzorku. Proč? To nikdo neví.
A stejně je tomu i v mnoha dalších případech, kdy se kýžené supravodivosti podařilo docílit sice při teplotách nižších než pokojových, ale v materiálech mnohem perspektivnějších, než jsou materiály s kysličníkem mědi. Například ve sloučeninách železa, v keramických materiálech, organických látkách nebo ve fullerenech (molekulách uhlíku kulového tvaru), které nabízejí lepší možnosti praktického využití. Jindy zase látky ztrácejí elektrický odpor při extrémně vysokých tlacích, během ozáření silným impulsem laseru a podobně. Důvody se ani tentokrát nedaří objasnit. A už jsme viděli, že nejasnosti jsou i kolem LK-99.
Supravodivost se tedy zatím podobá legendárnímu El Doradu španělských conquistadorů: všichni vědí, že bájná země zlaty někde leží a občas se z jejích pokladů i nějaká drobnost najde. Skutečný zdroj pohádkového bohatství ale zatím vězí kdesi v neznámu.
