سیمهای ابررسانا از موادی ساخته شدهاند که وقتی دمای آنها به شدت کاهش مییابد (به دمای بحرانی میرسند)، مقاومت الکتریکی آنها دقیقاً به صفر میرسد. این یعنی الکتریسیته میتواند بدون هیچگونه اتلاف انرژی و بدون تولید گرما از آنها عبور کند. در مقابل، سیمهای معمولی که ما در زندگی روزمره از آنها استفاده میکنیم، «رسانا» نامیده میشوند. این رساناها معمولاً از مس یا آلومینیوم ساخته شدهاند و همیشه مقداری مقاومت در برابر جریان برق دارند که باعث گرم شدن سیم و هدر رفتن انرژی میشود.
تفاوت اصلی سیمهای ابررسانا با سیمهای معمولی
تفاوت این دو نوع سیم را میتوان در سه بخش اصلی خلاصه کرد:
اول: مقاومت الکتریکی
سیمهای معمولی همیشه مقداری مقاومت دارند که بخشی از برق را به گرما تبدیل میکند. اما ابررساناها در حالت فعالیت، هیچ مقاومتی ندارند و بازدهی آنها صد درصد است.
دوم: ظرفیت انتقال جریان
یک سیم ابررسانا با قطر بسیار کم میتواند چندین برابر (حتی تا صد برابر) یک سیم مسی ضخیم، جریان برق را از خود عبور دهد. این یعنی برای انتقال مقدار زیادی برق، دیگر نیازی به کابلهای بسیار قطور و سنگین نیست.
سوم: نیاز به سیستم سرمایشی
بزرگترین تفاوت و البته چالش ابررساناها این است که برای کار کردن باید در دمای بسیار پایین (معمولاً با استفاده از نیتروژن مایع یا هلیوم مایع) نگه داشته شوند، در حالی که سیمهای معمولی در دمای محیط به راحتی کار میکنند.
چرا سیمهای ابررسانا تولید شدند و مزایای آنها چیست؟
تولید این سیمها نتیجه تلاش دانشمندان برای حل مشکل «اتلاف انرژی» بود. در شبکههای توزیع برق سنتی، مقدار زیادی از برق تولید شده در نیروگاهها صرفاً به دلیل مقاومت سیمهای مسی در طول مسیر به گرما تبدیل شده و هدر میرود.
مزایای اصلی این تکنولوژی عبارتند از:
یک: صرفهجویی عظیم در انرژی و حذف تلفات انتقال.
دو: کاهش حجم و وزن تجهیزات الکتریکی مانند ترانسفورماتورها و موتورها.
سه: امکان انتقال برق با ولتاژ پایینتر اما جریان بالاتر که امنیت شبکه را افزایش میدهد.
چهار: پایداری بسیار بالا در برابر نوسانات شدید برق.
تاریخچه و ورود به بازار
پدیده ابررسانایی در سال 1911 کشف شد، اما برای دههها فقط در آزمایشگاهها کاربرد داشت. از حدود اواخر دهه 80 میلادی با کشف ابررساناهای دمای بالا (که با نیتروژن مایع کار میکردند)، تجاریسازی آنها شروع شد. کابلهای ابررسانا برای استفاده در شبکه برق شهری، تقریباً از اواسط دهه 2000 میلادی (حدود 20 سال پیش) به صورت پروژههای پایلوت در کشورهایی مثل آمریکا، آلمان و کره جنوبی وارد مدار شدند. با این حال، به دلیل هزینه بالای سیستمهای سرمایشی، هنوز به طور کامل جایگزین سیمهای مسی در خانهها نشدهاند و بیشتر در بخشهای صنعتی و زیرساختی حضور دارند.
موارد مصرف سیم و کابل ابررسانا
در حال حاضر این کابلها در موارد حساس و استراتژیک استفاده میشوند:
۱. تجهیزات پزشکی: مهمترین کاربرد فعلی در دستگاههای ام آر آی (MRI) است که از آهنرباهای ابررسانا برای ایجاد میدان مغناطیسی قوی استفاده میکنند.
۲. شبکههای برق هوشمند: در شهرهای بزرگ که فضای کافی برای حفر تونلهای کابلکشی قطور وجود ندارد، از کابلهای باریک ابررسانا برای انتقال حجم عظیم برق استفاده میشود.
۳. قطارهای مغناطیسی (Maglev): برای معلق نگه داشتن قطار روی ریل و حرکت با سرعتهای بسیار بالا (بالای 500 کیلومتر در ساعت).
۴. شتابدهندههای ذرات: در مراکز علمی بزرگ مانند سرن (CERN) برای هدایت ذرات اتمی.
۵. ژنراتورها و موتورهای کشتیهای غولپیکر: برای کاهش وزن موتور و افزایش قدرت خروجی.
سخن پایانی
اگرچه سیمهای معمولی یا همان «رساناهای مسی» همچنان حاکم مطلق خانههای ما هستند، اما کابلهای ابررسانا آینده مدیریت انرژی در جهان را شکل میدهند. با پیشرفت تکنولوژی و ارزانتر شدن سیستمهای سرمایشی، دور از ذهن نیست که در آینده شاهد حضور گستردهتر این سیمهای جادویی در زیرساختهای حیاتی کشورها باشیم.