Kraina zimniejsza niż lód – Ku zeru bezwzględnemu

Dziś,po stosunkowo długiej nieobecności, postanowiłem napisać na temat dość związany z letnimi upałami – choć, jest ich całkowitym przeciwieństwem. Zimno. Choć do zimy mamy pół roku, przez niektórych,tam gdzie słońce przypieka może być bardzo wyczekiwane. Ale, choć wiemy czym mniej więcej jest temperatura – w dużym uproszczeniu ruchem cząsteczek; to pomimo faktu,że istnieje coś takiego, jak temperatura zera bezwzględnego , nawet nie zdajemy sobie sprawy, jak ciepły jest świat w którym żyjemy. Serio.Kriogenika,czyli nauka o niskich temperaturach i ich wykorzystaniu nie jest czymś popularnym,poza literaturą SF i ideą hibernacji nawet nie mamy w zasadzie z nią do czynienia.A jednak temperatury panujące poza Ziemią,bardzo daleko od Słońca powszechne we wszechświecie, są tylko o kilka stopni wyższe od zera bezwzględnego.  Na szczęście (ale czasem, też z przyczyn technicznych: na nieszczęście) próżnia jest bardzo dobrym izolatorem cieplnym. Nie koniec jednak na tym. Temperatury po ciemnej stronie księżyca sięgają nawet -200 stopni Celcjusza.  W tych temperaturach tlen się „tylko” skrapla. Oczywiście, w obszarze przestrzeni kosmicznej (w tym okołoziemskiej) , gdzie względnie obficie występuje promieniowanie słoneczne, można mówić z kolei o temperaturach wyższych jak +120 stopni Celcjusza. Skupmy się jednak na zimnie. Co oznaczają takie warunki ? W warunkach takiego sztucznego,lub naturalnego, kosmicznego wręcz zimna, materiały zmieniają stan skupienia na stały, lub ciekły. Oprócz tego, możliwe są też nie wymagające go przemiany alotropowe i inne ciekawe zjawiska.

Szczególnie chodzi mi tu o nadprzewodnictwo i zjawisko znane jako nadciekłość . Choć utrata przez materiał jakiegokolwiek oporu elektrycznego, czy lepkości wydaje się nudna,a same koszty chłodzenia, w naszym całkiem gorącym (ponad 0 stopni Celcjusza to ponad 273,15 stopni Kelwina) środowisku, z użyciem ciekłego azotu czy ciekłego helu będące na poziomie odpowiednio 77-78 stopni kelwina i zaledwie kilku stopni kelwina,czyli temperatur poniżej -195 stopni Celcjusza wydają się ogromne,to te zjawiska mają kapitalne znaczenie i ogromny potencjał.

Potencjał nadprzewodnictwa już został zidentyfikowany,a marzenia o nadprzewodniku pracującym w temperaturze pokojowej (+20 stopni Celcjusza), lub przynajmniej w miarę wysokiej są dość powszechne wśród fizyków ciała stałego i mających wiedzę naukową biznesmenów.  Nic dziwnego. Choć koszt chłodzenia jest tu,na Ziemi faktycznie ogromny, a nadprzewodniki jak widać na poniższym wykresie generalnie wciąż pracują w stosunkowo niskich temperaturach (przypomnę: zero stopni Celcjusza to 273,15 stopni Kelwina), naprawdę wartość tych zjawisk jest ogromna :

Historia - nadprzewodnictwo
Powód jest oczywisty.Opór elektryczny to straty energii i nagrzewanie się obwodów. Zgodnie z prawami fizyki wyemitowane ciepło zamiast stosunkowo mnemotechnicznego wzoru Q=U*I*t w istocie można przedstawić jako Q=I2*R*t gdzie współczynnik R to opór elektryczny przewodnika. Nadprzewodniki oporu elektrycznego nie wykazują.Prąd może w nich krążyć przez całe lata bez strat. Naprawdę.To nie teoria.Wykonano stosowne eksperymenty.  Kwestią która się w tym miejscu nasunąć może to wykorzystanie tego w przesyle prądu czy tym bardziej elektronice.Rzeczywiście,potencjał ten w elektronice zauważyli już naukowcy z  MIT publikujący dla periodyku amerykańskiej agencji NSA w jej piśmie „The Next Wave”.
Jest to elektronika oparta na tranzystorach typu (R)SFQ (superconductive single-flux-quantum logic) ,która była badana już od lat 80-tych, choćby przez fizyków Rosyjskich – jak na razie jednak nie osiągnęła ona choćby stosownego poziomu miniaturyzacji. Szacuje się,że taka elektronika oprócz wyższego taktowania,spotykanego już przy przetaktowaniu dotychczasowych procesorów mogłaby charakteryzować się poborem mocy na poziomie 1% (0,01 !) mocy koniecznej dla klasycznej elektroniki.

Ale nie dość tego.Tworzenie magnesów nadprzewodzących umożliwia wytworzenie potężniejszych niż kiedykolwiek magnesów i pól magnetycznych oraz urzeczywistnienie zjawiska lewitacji na szerszą skalę, dzięki polu magnetycznemu,zjawisko, które dotychczas było domeną marzeń i mitów. Co ciekawe. Nadprzewodniki nie przepuszczają również obcych pól magnetycznych.One są wypychane na zewnątrz.Zjawisko to nosi nazwę Efektu Meissnera. To bardzo praktyczne zjawiska. Japońskie linie kolejowe w technologii Maglev umożliwiają ruch kolei z prędkością ponad 500 km/h. Główna przyczyna jest prosta – minimalny wpływ tarcia,pociąg taki poruszał się będzie na „poduszce powietrznej” Technologia ta wkrótce zostanie wdrożona w Japonii,gdyż stosunkowo niedawno została uznana za nadającą się do komercyjnego wdrożenia.

Zjawisko nadciekłości, jest natomiast odpowiednikiem nadprzewodnictwa w mechanice płynów.Ciecz nadciekła poruszona, może poruszać się bez końca. „Wspina się” po pionowych ścianach.  Może przenosić ciepło ogromnymi prędkościami.Pod wpływem mechanicznego przepływu ciekłego helu powstać mogą też różne temperatury w naczyniach – i odwrotnie: różnice temperatur mogą wywołać przepływ. W substancji nadciekłej,np. helu II pojawia się też w przypadku kontaktu z falą dźwiękową również druga fala dźwiękowa…

Jak dotąd zjawisko nadciekłości wykorzystuje się głównie przy chłodzeniu.Tym niemniej jest oczywiste,że możliwe są również inne jego zastosowania.

W niskich temperaturach ,możemy zresztą otrzymać też Kondensat Bosego-Einsteina,gdzie wiele cząstek zachowuje się, wskutek efektów kwantowych jak jedna.Zjawisko to wciąż jest badane,jednak korzyści,oprócz badania np. nadprzewodnictwa i nadciekłości są oczywiste – choćby dokładniejszy pomiar czasu, niż w przypadku klasycznych zegarów atomowych.Badania ciągle trwają. Jedno jest pewne. Obszar skrajnie niskich temperatur jest obszarem, w którym ukryte są z pewnością nowe skarby nauki i techniki.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s