Chất siêu dẫn xâm nhập vào cuộc sống

Cách đây gần một thế kỷ, nhà vật lý người Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes làm giới khoa học sửng sốt khi ông phát hiện: nếu làm lạnh các kim loại nhất định tới nhiệt độ cực thấp, điện sẽ chạy qua đó mà không mất đi một chút năng lượng nào. Tuy nhiên, trở ngại duy nhất là không thể thương mại hoá công nghệ đó bởi kim loại phải bị đóng băng. Ngày nay, các chất siêu dẫn tương tự như chất mà Onnes đã khám phá đang được thử nghiệm nhằm giảm mạnh nguy cơ mất điện trên diện rộng. Robert Hawsey, Giám đốc Trung tâm công nghệ siêu dẫn thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia (Mỹ), cho biết: Sau gần 20 năm phát triển, một thế hệ các chất siêu dẫn mới chuẩn bị thoát khỏi phòng thí nghiệm và hoá thân thành những ứng dụng quy mô lớn”.

Chất siêu dẫn có nhiều đặc tính rất hấp dẫn. Chúng không có điện trở. Về nguyên tắc, ngay khi điện bắt đầu chạy trong mạch siêu dẫn, nó có thể chạy gần như mãi mãi. Chất siêu dẫn có thể mang nhiều điện hơn so với dây và cáp tiêu chuẩn cùng kích cỡ. Do vậy, các thiết bị siêu dẫn có thể nhỏ hơn nhiều so với bộ phận bình thường. Chẳng hạn một động cơ điện thông thường, được sử dụng để đẩy chận vịt tàu khu trục của hải quân, có thể nặng tới 200 tấn nhưng một động cơ siêu dẫn mạnh tương tự chỉ nặng có 75 tấn. Ngoài ra, chất siêu dẫn không tiêu hao điện năng do nhiệt nên động cơ hoặc chíp máy tính siêu dẫn sẽ hoạt động hiệu quả hơn nhiều.

Tuy nhiên, để chất siêu dẫn được ứng dụng rộng rãi, có một số trở ngại. Chất siêu dẫn “khó tính” hơn so với các thiết bị điện tiêu chuẩn. Nếu dòng diện mà nó mang hoặc điện trường nó gặp phải quá mạnh, chất siêu dẫn sẽ biến thành dây dẫn bình thường trong nháy mắt. Vấn đề thứ hai là làm lạnh. Để làm cho chất siêu dẫn này hoạt động, Onnes đã sử dụng heli lỏng ở 4 độ Kelvin (4 độ trên độ không tuyệt đối - điểm mà tại đó các phân tử ngừng chuyển động). Vào giữa những năm 1980, các chất siêu dẫn truyền thống đã có mặt trên thị trường. Tuy nhiên, chi phí cao của việc làm lạnh chúng xuống nhiệt độ của heli lỏng đã ngăn cản bước đường xâm nhập vào cuộc sống của chúng.

Sau đó, năm 1986, hai nhà nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm của IBM đã phát hiện một hợp chất gốm mất điện trở ở 35 độ K. Ngay lập tức, khám phá của họ đã thúc đẩy hàng loạt nghiên cứu khác. Trong vòng vài tuần sau đó, nhiều nhóm khác đã tìm ra những vật liệu gốm siêu dẫn ở 94 độ K và có thể làm lạnh chúng bằng nitơ lỏng rẻ tiền hơn. Kể từ đó, các vật liệu gốm khác dẫn điện ở nhiệt độ hơn 130 độ K đã được phát hiện. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất là làm thế nào để biến gốm thành dây dẫn.

Cái “khó ló cái khôn” các công ty American Superconductor ở Mỹ và Sumitomo Electric của Nhật Bản đã vượt qua trở ngại trên bằng cách thiết kế các “sợi dây” giống như băng từ để sử dụng trong dây cáp, động cơ và các thiết bị giúp ổn định dòng điện được cung cấp. Chẳng hạn Cục điện lực Tennessee Valley (TVA) đang thử nghiệm một thiết bị do American Superconductor chế tạo. Thiết bị giúp duy trì hiệu điện thế ổn định trên mạng truyền tải. Nếu thành công, cơ quan này dự định lắp thêm năm chiếc nữa. Terry Boston, Phó chủ tịch TVA, cho biết: “Cho đến nay chúng tôi rất hài lòng với kết quả thử nghiệm”.

Hải quân Mỹ cũng đang có nhiều dự án trong lĩnh vực ứng dụng chất liệu siêu dẫn. Họ đang thử nghiệm động cơ siêu dẫn nguyên mẫu của American Superconductor có công suất 5.000 mã lực. Để có thể dành phần lớn không gian trên tàu cho con người, vũ khí và thiết bị điện tử, họ cần có các động cơ càng nhỏ càng tốt. Khi đã nắm được công nghệ động cơ siêu dẫn, phương pháp tương tự cũng có thể sử dụng để sản xuất máy phát điện siêu dẫn có quy mô nhỏ gọn. Có thể sử dụng những máy phát điện này để cung cấp năng lượng cho vũ khí thế hệ mới trên tàu và máy bay. Kỹ thuật mới cũng có thể được sử dụng để phóng máy bay từ hàng không mẫu hãm.

Cho tới nay, các thiết bị nguyên mẫu được thử nghiệm trong quân sự và dân sự đã được chế tạo nhờ có dây siêu dẫn thế hệ 1. Chẳng bao lâu nữa, lô hàng dây siêu dẫn thế hệ hai đầu tiên, với các đặc tính dẫn điện, từ và cơ học tốt hơn cũng như rẻ tiền hơn, sẽ được tung ra thị trường. American Superconductor dự định xuất lô hàng dây siêu dẫn thế hệ hai đầu tiên trong vòng 6 - 9 tháng tới. Các công ty khác, trong đó có Sumitomo cũng theo sát nút. Thậm chí khi dây siêu dẫn thế hệ hai chưa xuất hiện thì các nhà nghiên cứu đã tập trung vào thế hệ ba. Thế hệ ba sẽ có giá thành hạ hơn cũng như hiệu suất cao hơn. Chất siêu dẫn sắp xuất hiện dưới dạng những ứng dụng quy mô lớn.

Nguồn: Khoa học vàĐời sống, số 3 (1721), ngày 10 /1/2005