A jövő villamossága

De miről is van szó? A villamossággal foglalkozó tudósok a tizenkilencedik század folyamán kiderítették, hogy az árammal szemben a fémvezető ellenállást tanúsít. Ennek nagyságát az iskolai tananyaggá nemesült Georg Simon Ohm német fizikus határozta meg. Természetszerűleg ilyenkor a huzal felmelegszik, ennek mértékét viszont angol kollégája, a fizikaórákról ugyancsak ismerős James Prescott Joule adta meg, aki meghatározta, hogy a villamos áram nagyságával négyzetesen arányos a veszteség.

Mindez a mindennapi gyakorlatban a villamos távvezetékeknél lett elsőrendűen fontos, hiszen egyáltalán nem mindegy, hogy a szállított energia mekkora hányada veszik el a vezetékek ellenállása miatt. A veszteségek csökkentésére találták fel a transzformátort – megalkotói a budapesti Ganz gyár mérnökei, Bláthy Ottó Titusz, Déri Miksa és Zipernovszky Károly voltak –, amely lehetővé teszi nagyfeszültség mellett sokkal kisebb áramerősségen ugyanakkora villamos energia továbbítását, ami jó ideig megfelelő megoldást jelentett. Csakhogy a huszadik században egész sárgolyónkat villamosították, olyan mértékűvé vált az energiaéhség, hogy már néhány százalék veszteség is jelentősnek számít. Arról nem is beszélve, hogy a többezer kilométeres távvezetékeken elveszik az energia egyötöde. Ez pedig már százmilliárd dollárban mérhető. Felvetődik: de jó lenne, ha nem lenne a vezetékeknek villamos ellenállása. Hiszen akkor veszteség sem lenne. Ez nem gyermekálom: van ilyen, szupravezetésnek hívják. Csak egy baj van még mindig vele: csupán nagyon kis hőmérsékleten működik. És nem is korunk agyréme, ugyanis csaknem száz évvel ezelőtt egy holland fizikus, Heike Kamerling Onnes fedezte fel.

Az alacsony hőmérsékletek bűvöletében

A híres németalföldi Hanza városában, Groningenben született 1853. szeptember 21-én. Tanulmányait szülővárosában, majd Delftben és Leidenben végezte. Anyaegyetemén lett tanársegéd, majd professzor, egész munkássága is e világhírű intézményhez kötődik.

A tizenkilencedik század végén a tudósok az alacsony hőmérsékletek bűvöletében éltek. Az egyik fontos kérdés az volt, van-e és mekkora a legkisebb, természetben előforduló hőmérséklet, a másik, hogy vajon hogyan viselkednek a vegyi elemek ilyen szélsőséges viszonyok között. Az előbbi kérdésre William Thomson – ismertebb nevén lord Kelvin – adta meg a választ, bizonyítva, hogy a természetben van egy abszolút nulla fok, ezt az ő tiszteletére 0°K-nak nevezték el, ami hétköznapi nyelvre lefordítva -273,15°C-nak felel meg. Hamarosan az is kiderült, hogy ilyenkor az atomok egyes részeinek rezgése befagy, ennek megfelelően különleges tulajdonságokat vesznek fel. A másik kérdésre épp a hollandus professzor próbálta megadni a választ.

Kamerling Onnes a leideni egyetemen berendezett magának egy laboratóriumot, amelyben gázokat cseppfolyósított. A legalacsonyabb hőmérsékletet 1908-ban sikerült elérnie: -268,5°C-ot, ami alig több 4 kelvinnél.

Első jelentős eredménye a hélium cseppfolyósítása volt. Ez elsőként neki sikerült. A továbbiakban arra összpontosította figyelmét, hogy az egyes vegyi elemek milyen tulajdonságokat mutatnak folyékony héliumba mártva. Legnagyobb meglepetésére a higany teljes mértékben elvesztette villamos ellenállását. Kísérleti eredményeit egy merőben szokatlan elmélettel koronázta meg, amely szerint a higanyhoz hasonlóan valamennyi fém egy bizonyos, kritikus hőmérsékleten ugyancsak szupravezetővé válik, tehát a villamos áram akadálytalanul folyik benne.

Hogy mekkora szenzációt keltett vele, arra a legjellemzőbb, hogy két évvel nyilvánosságra hozatala után, 1913-ban megkapta érte a fizikai Nobel-díjat. Hamarosan az is kiderült, hogy a svéd akadémia által kijelölt bizottság nagyon is helyesen döntött: sorban sikerült a legtöbb fém szupravezetését bizonyítani, sőt ötvözetekre is kiterjeszteni Kamerling Onnes elméletének helyességét.

A kérdés lezáratlan marad

A kérdés persze korántsem zárult ezzel le. Húsz év múltán Meissner és Aschenfeld bebizonyította, hogy az áram azért oly akadálytalan, mert szupravezető állapotban a mágnesezhető anyagok (ferromágnesek) nem mágnessé (diamágnessé) válnak – mivel kiszorítják a villamos vezető belsejéből a mágneses teret.

Ettől a fő kérdés még mindig megválaszolatlan maradt: mitől az akadálytalan villamos áram? Erre végül John Bardeen, L. M. Cooper és J. R. Schriever adta meg 1956-ban a választ, a nevük kezdőbetűiből alkotott BCS-elméletben, amely szerint a negatív töltésű elektronok az abszolút nulla fok közelében nem taszítják egymást, épp ellenkezőleg: párokba rendeződve fegyelmezetten továbbítják a villamos áramot.

Elméletükért 1972-ben Nobel-díjjal tüntették ki őket. Hogy milyen példátlanul elegáns a magyarázatuk, arra a legjobb példa, hogy napjainkig mindössze Bardeen szerzett két fizikai Nobel-díjat. Az előzőt a tranzisztor 1948-as felfedezéséért kapta – a véletlen folytán éppen 1956-ban.

A szupravezetés elméletének teljes diadalát Kamerling Onnes már nem érte meg: 1926. február 21-én hunyt el Leidenben. A gyakorlati alkalmazás terén pillanatnyilag felemás helyzet uralkodik: a folyékony hélium előállítása nagy költségeket kíván, emiatt csak kísérleti körülmények között használják. A legnagyobb szupravezető áramkörök jelenleg a részecskegyorsítókban vannak. Az európai, a berni és az amerikai, bataviai Fermilab kutatói egyaránt szupravezető elektromágnesekkel dolgoznak, amelyekkel a részecskegyorsító ütközési energiáját az eredeti teljesítmény ötszörösére sikerült emelni. A mindennapi gyakorlatban akkor tudnak majd elterjedni, ha sokkal magasabb hőmérsékleten is sikerül az ellenállás nélküli villamos vezetést biztosítani. Biztató kísérletek már vannak: egyes fémkerámiák már 100°K-on is szupravezetők, de hát még ez is -170°C-ot jelent.

A jövőt nagyon nehéz megjósolni, mivel a hő emelkedésével az atomok egyre nagyobb kilengést végeznek a kristályrácsban, így kétséges, hogy szobahőmérsékleten valaha is sikerül a szupravezetést megvalósítani. Ez viszont mit sem von le Kamerling Onnes zsenialitásából, aki egyetlen fém vizsgálatával általánosan érvényes törvényszerűséget fedezett fel.