SZUPRAVEZETŐK A MINDENNAPOKBAN: A XXI. SZÁZAD TECHNOLÓGIÁJA

Vajda István,
BME Villamos Energetika Tanszék
Szalay András, S-Metalltech Kft., Budapest
Porjesz Tamás, ELTE TTK Általános Fizika Tanszék (SuperTech Lab)

A szupravezetőket - sok évtizedes szívós és következetes kutató-fejlesztő munka eredményeképp - az utóbbi néhány évtizedben mind több alkalmazásban tudjuk felhasználni. Immár kereskedelmi forgalomban is beszerezhető a szupravezetős mágneses energiatároló (SMES), hazánkban is használnak orvosi vizsgálatokra szupravezető mágneseket. A szupravezető anyagok nyújtotta különleges előnyöket egyre nagyobb mértékben tudjuk élvezni, és ez a jövőben még inkább így lesz.

Az Európai Unió minden évben szervez egy, a tudományos eredményeket népszerűsítő hetet European Science Week elnevezéssel. Ebben az évben - héttagú nemzetközi konzorcium vezetőjeként - a BME Villamos Energetika Tanszék SuperTech Laboratóriuma vállalhatta el, hogy bemutatja a szupravezetős alkalmazások mai helyzetét és a közelebbi jövőben várható fejlődését. A Science Week keretében, Mágikus Vonzás címen ez év november 22-25. között a BME Aulájában egy interaktív kiállításon, a laikusok számára is érthető módon megmutatjuk, hogy a szupravezetés alkalmazására máris hányféle példa található részint saját, részint európai és tengerentúli kutatások eredményeként. Megismertetjük a látogatókat egyrészt a szupravezetők alapvető fizikai tulajdonságaival és egyes konkrét, gyakorlati alkalmazásokkal. A szupravezetős erősáramú alkalmazások sorában bemutatjuk a mágneses csapágyakat, valamint a mágneses csapágyazású energiatároló lendkereket, a zárlati áramkorlátozót, a mágneses szeparátort, valamint a kábeleket.

Célunk, hogy mind az érdeklődők, mind a kutató-fejlesztő kollégák számára közelebb hozzuk ezt a feljövőben lévő, perspektivikus high-tech területet, bemutassuk, hogy a szupravezetés reális megoldásokat nyújt meglévő és jövőbeni ipari problémákra.

A szupravezetés jelenségét Heike Kammerlingh-Onnes holland fizikus fedezte fel 1911-ben. Ezek a szupravezető anyagok egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt elvesztik elektromos ellenállásukat, gyakorlatilag végtelenül jó elektromos vezetővé válnak. A Kammerlingh-Onnes által felfedezett alacsonyhőmérsékletű (AHS) szupravezető anyagok, illetve az azokból készült ötvözetek legmagasabb kritikus hőmérséklete 23,2 K, ezért hűtésükhöz folyékony héliumot kell használni.

1986-ban Müller és Bednorz, az IBM kutatói, olyan kerámiaalapú szupravezető anyagot fedeztek fel, melynek kritikus hőmérséklete (-35 K) lényegesen meghaladta a korábbi, AHS-anyagokra megismert legmagasabb értéket. Ezért ezt az új típusú szupravezetést magashőmérsékletű szupravezetésnek, míg az anyagot magashőmérsékletű szupravezetőnek (MHS) nevezték el. Lényeges áttörés következett be 1987 januárjában az ittriumalapú szupravezetők felfedezésével, melyek kritikus hőmérséklete elérte a 93 K-t. A nitrogén forráspontjánál (77,36 K) magasabb kritikus hőmérsékletű szupravezető anyagok megjelenése áttörést jelentett az alkalmazási lehetőségek terén. Ezáltal az eszközök hűtése lényegesen olcsóbbá és egyszerűbbé válhatott. Ennek köszönhető, hogy felgyorsultak a felhasználásra irányuló kutatások.

A kritikus hőmérsékleten kívül még két kritikus paraméter játszik fontos szerepet: a kritikus áramsűrűség és a kritikus indukció. A szupravezetési állapot csak abban az esetben marad fenn, ha mindhárom mennyiség értéke egyidejűleg kisebb, mint a kritikus értékek.

A szupravezető-képesség alapvetően két lényeges tulajdonságot foglal magába. Az egyik az ellenállásmentes áramvezető-képesség (történetileg ebből származik a "szupra"-vezető elnevezés), ezt jól demonstrálja e havi számunk címlapképe, amelyen látható, hogy a szupravezetőn veszteség nélkül folyik az áram.

A másik a diamágneses tulajdonság, a Meissner-effektus. Az utóbbi tulajdonság azt jelenti, hogy a mágneses tér kiszorul a szupravezető anyagból. Ezért például egy szupravezető tárcsa fölé elhelyezett állandó mágnesre taszító erő hat, az állandó mágnes a szupravezető tárcsa felett lebegni fog (1. ábra). A mágnesek és a szupravezetők méretezésével a lebegtetőerő növelhető, akár embereket (2. ábra), vagy gépalkatrészeket, vasúti kocsit (2. ábra jobb oldala) stb. is lebegtethet, biztosítva ezek súrlódásmentes haladását vagy forgatását. .

Az alkalmazásokban a szupravezetők mindkét alapvető tulajdonságát kihasználjuk. Az áramvezető-képességen alapulnak a szupravezetős tekercsek, kábelek, áram-hozzávezetések stb. A diamágneses tulajdonságot a lebegtetett csapágyakban és lendkerekekben, a mágneses árnyékolókban használjuk fel. Említésre érdemes, hogy ha a szupravezetőt mágneses térben hűtjük le, a mágneses erővonalak - képletesen szólva - "befagynak" a szupravezetőbe. Így a szupravezető és az állandó mágnes között nemcsak taszító, hanem vonzó erő is létesíthető. A fluxus befagyasztásával szupravezetős állandó mágnesek készíthetők, amelyeket szupravezető állandó mágneses motorokban, mágneses tengelykapcsolókban lehet felhasználni.

A magashőmérsékletű szupravezető (MHS) anyagok esetében az üzemi hőmérséklet fenntartása folyékony nitrogénnel biztosítható, ami lényeges előnyt jelent az alacsonyhőmérsékletű szupravezetők hűtésigényével összehasonlítva. Ma már kereskedelmi forgalomban szerezhetők be magashőmérsékletű szupravezetőből készített alkatrészek. Az erősáramú alkalmazásokat tekintve rendelkezésre állnak a tekercsekben és energiaátviteli kábelekben használható huzalok és szalagok, a kis hővezetésű áramhozzávezetések, a mágneses csapágyakban és lendkerekekben felhasználható tárcsák (lebegtetők és stabilizátorok), a mágneses árnyékolásra alkalmas gyűrűk és fóliák, valamint az áramkorlátozókhoz (3. és 4. ábra) szükséges hengerek, gyűrűk. Az energiaminőség javítását szolgáló mágneses energiatárolók több példányát telepítették és üzemeltetik ipari fogyasztóknál, a középfeszültségű hálózatokon alkalmazható zárlati áramkorlátozók ipari alkalmazása folyamatban van.

Az energiaátviteli transzformátorok, villamos Forgógépek, energiaátviteli kábelek és az energiatároló lendkerék ipari alkalmazása a közeli jövőben várható.

Megállapíthatjuk, hogy jelentős a fejlődés mind az alacsony-, mind pedig a magashőmérsékletű szupravezetők ipari alkalmazásainak bevezetése és elterjedése területén. Az orvosi diagnosztikában is egyre többen alkalmazzák a szupravezető mágneseket tartalmazó mágnesesrezonancia-módszerrel történő képalkotást (5. ábra). Nem véletlen, hogy 1998-ban fogalmazódott meg a jelszó: "Superconductiviry coming to market - A szupravezetés közeledik a piachoz".

Az erősáramú szupravezető-kutatás és -fejlesztés hazai bázisa a BME SuperTech Laboratóriuma. A kutatók száma 5 Fő, a külső szakemberek száma mintegy 20 fő hazai és külföldi szenior tag, továbbá mintegy 20 fő junior, nappali és doktoranduszhallgató. A SuperTech kiterjedt nemzetközi kapcsolatokkal rendelkezik a világ minden táján.

Kiemeljük a hagyományos, idén már tizedik alkalommal megrendezett Szupravezetős Nemzetközi Nyári Egyetemet, továbbá az ipari szemináriumokat, amelyeket Az energiaminőség javítása szupravezetős mágneses energiatárolókkal címmel tartottunk a BME-n, valamint az ÉDÁSZ Rt., és az MVM szakemberei számára.

A SuperTech tagja az EU 5. Keretprogramjának részeként működő Európai Szupravezetős Hálózatnak (SCENET), képviselteti magát az USA Superconductivity for Power Systems (Szupravezetés az energiarendszerek számára) nemzeti programjában, és közvetlen kapcsolata van Japán erősáramú szupravezetős programjaihoz.

Jelenleg nagyáramú MHS zárlati áramkorlátozó, valamint rövididejű energiatárolásra alkalmas - úgynevezett teljesítménytároló - mágnesesen lebegtetett MHS lendkerék ipari modelljeinek fejlesztése van fejlesztéseink középpontjában. Az egyedi eszközök fejlesztését követően a jövő terveinek középpontjában komplex, több eszközt (transzformátor-áramkorlátozó-motor-energiatároló) magában foglaló és azok együttműködését igénylő MHS-rendszer (minierőmű modellje) kivitelezése áll. Ez a koncepció nemzetközi összehasonlításban is újszerűnek minősül.

A nemzetközi együttműködések eredményeként rendezhetjük meg 2004. november 22-25. között a BME K. épület aulájában a Mágikus Vonzás című kiállítást. Az interaktív tárgyak az Oxfordi Egyetem, a Barcelonai Egyetem, a Ben-Gurion Egyetem, a caeni Crismat és a jénai IPHT kutatóhelyek, a Sydkraft svéd vállalat, a Diamond Congress rendezvényszervező cég, az S-Metalltech kutatóvállalat, valamint a BME SuperTech Laboratóriuma szoros együttműködésében készültek el.

A kiállításról a http://www.szupravezetes.hu címen bővebb információk is elérhetők.