Tulevaisuus: Tulevaisuus on suprajohtava

Seuraava sähkömagnetismin mullistus on jo tekeillä. Pian sähköautoja voidaan ladata tiellä ajon aikana, ja kotona sähkö kulkee langattomasti lamppuun. Suprajohtavaa magneettia tarvitaan myös fuusiovoimaloissa.

Seuraava sähkömagnetismin mullistus on jo tekeillä. Pian sähköautoja voidaan ladata tiellä ajon aikana, ja kotona sähkö kulkee langattomasti lamppuun. Suprajohtavaa magneettia tarvitaan myös fuusiovoimaloissa.

Hyperloop TT

Auringon ytimen lämpötila on 15 miljoonaa astetta.

Yhtä kuuma oli kesäkuussa 2018 Tokamak Energy -yhtiön palloreaktorissa. Brittiyhtiön reaktori jäljittelee tähdissä tapahtuvaa fuusioreaktiota, jossa vetyatomit yhtyvät heliumiksi.

Tutkijat eivät silti aio tyytyä tasapeliin Auringon kanssa, vaan tavoitteena on päästä 100 miljoonaan asteeseen vielä tämän vuoden kuluessa.

Jotta näin korkeisiin lämpötiloihin päästään, tarvitaan suprajohde eli aine, jossa sähkö kulkee ilman vastusta.

Suprajohtavuus taas vaatii hyvin alhaisen lämpötilan.

Siksi suprajohteita on toistaiseksi käytetty harvoissa käytännön sovelluksissa, lähinnä magneettikuvauslaitteissa.

Nyt mahdollisuudet ovat kasvamassa, kun on tullut uusia materiaaleja, jotka voidaan jäähdyttää edullisesti nestemäisellä typellä.

Hyperloop leijuu ilman vastusta

Fuusioreaktori on vasta varhaisessa testivaiheessa, ja se pääsee tositoimiin todennäköisesti vasta ensi vuosikymmenellä.

Sen sijaan moni muu sähkömagnetismin sovellus on täyttä totta jo nyt.

Maailman nopein juna kulkee Shanghain keskustan ja lentokentän väliä 430 kilometrin tuntinopeudella.

Video: Magneettijuna kiihdyttää 431 km/h:n vauhtiin

Huima vauhti on mahdollista siksi, että juna leijuu magneettikentän päällä, jolloin kiskon ja junan välille ei synny kitkaa.

Myös junan sähkömoottoria pyörittää vaihteleva magneettikenttä.

Magneettilevitaatiojunia on myös Japanissa ja Etelä-Koreassa. Niitäkin monin kerroin nopeamman Hyperloopin testirataa on kaavailtu myös Suomeen.

Hyperloop on juna, joka kulkisi tyhjiöputkessa, jolloin ilman vastus ei hidastaisi sen kulkua. Huippunopeus olisi periaatteessa jopa 1 200 kilometriä tunnissa.

Matka Helsingistä Tukholmaan taittuisi 28 minuutissa. Monessa tapauksessa Hyperloop olisi nopeampi matkustusmuoto kuin lentokone, koska se voisi kulkea keskustasta keskustaan.

Suunnitelma Hyperloopin testiradan rakentamisesta Saloon on pantu jäihin, mutta sitä testataan Nevadassa Yhdysvalloissa. Intiassa on jo julistettu tarjouskilpailu Hyperloop-yhteydestä Punen ja Mumbain kaupunkien välille.

Koti ilman sähköjohtosotkua

Uusi sähkömagneettinen tekniikka auttaa myös pitämään kodin siistinä, kun kodinkoneiden sähköjohdoista päästään eroon. Langattomia latureita on jo nyt muun muassa sähköhammasharjoille ja sähköautoille.

Serbialainen fyysikko Nikola Tesla visioi jo 1900-luvun alussa langattomasta sähkönsiirrosta koteihin ja tehtaisiin.

Tesla pystytti vuonna 1902 New Yorkin lähistölle tornin, johon oli tarkoitus rakentaa mikroaaltolähetin siirtämään sähköä läheisiin asuntoihin.

Asunnoissa olisi ollut vastaanottimet, jotka olisivat muuttaneet mikroaaltojen energian sähkövirraksi.

Teslan torni valmistui vuonna 1904, ja sillä oli korkeutta 57 metriä. Shorehamiin New Yorkin lähelle rakennettua tornia ei kuitenkaan koskaan otettu käyttöön, ja se purettiin jo vuonna 1916.

© Wikimedia

Tarinan mukaan Teslan rahoittajat vetäytyivät hankkeesta, koska oli epävarmaa, miten olisi voitu varmistaa, että mikroaaltojen vastaanottajat myös maksavat sähköstään.

Langattomassa sähkönsiirrossa osa energiasta jää matkan varrelle, joten se tuskin koskaan korvaa suurjännitekaapeleita, kun sähköä pitää siirtää pitkiä matkoja.

Kotioloissa se sen sijaan voi tehdä piuhoista ja kaapeleista tarpeettomia.

Langaton sähkönsiirto tapahtuu niin, että lähetin muuttaa vaihtovirran vaihtelevaksi magneettikentäksi.

Maailman tehokkain magneettikuvauslaite luo 10,5 teslan vahvuisen magneettikentän.

Magneettikentässä oleva vastaanotin muuttaa magneettikentän energian taas sähkövirraksi. Tosin magneettikentän voimakkuus heikkenee sen mukaan, miten kaukana lähetin ja vastaanotin ovat toisistaan.

Vielä kymmenen vuotta sitten suurin mahdollinen etäisyys oli vain senttejä.

Yhdysvaltalaisen Massachusettsin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kuitenkin keksineet, että energiahävikki voidaan minimoida, kun lähetin ja vastaanotin ovat samalla taajuudella niin, että syntyy resonanssi.

Resonanssin avulla tutkijat onnistuivat muun muassa syöttämään sähköä televisiolle langattomasti puolen metrin päästä niin, että energiahävikki oli ainoastaan 30 prosenttia.

Nurkissa pölyä keräävä johtospagetti voi pian olla historiaa. Ehkä jo muutaman vuoden kuluttua niin lamput kuin televisiotkin saavat sähkönsä langattomasti. Myös sähköauton akku latautuu langattomasti autotallissa.

© Mikkel Juul Jensen

Muuntaja lisää sähkövirran energiamäärää

Muuntaja on kiinni sähköverkossa. Kun muuntajaan tulee verkosta tavallista vaihtovirtaa, muuntaja lisää sen taajuutta niin, että sähkövirta saa mahdollisimman suuren energiamäärän.

© Mikkel Juul Jensen

Sähkö muuttuu vaihtelevaksi magneettikentäksi

Muuntajasta sähkövirta jatkaa matkaansa lähettimeen. Se muuttaa virran niin sanotuksi vaihtelevaksi magneettikentäksi, jossa magneettiset navat vaihtavat paikkaa koko ajan. Magneettikenttä ulottuu koko huoneeseen.

© Mikkel Juul Jensen

Magneettikenttä muuttuu lampussa sähkövirraksi

Kodin sähkölaitteissa on vastaanotin, joka muuttaa vaihtelevan magneettikentän energian sähkövirraksi. Vastaanottimella ja magneettikentällä on sama taajuus eli resonanssi, joka vähentää energiahävikkiä.

© Mikkel Juul Jensen

Oslon taksien akku latautuu langattomasti

Oslo asentaa taksiasemille langattomat latauspisteet 2023 mennessä, jotta takseina toimivat sähköautot voivat ladata akkunsa asiakkaita odottaessaan. Suunnitelmissa on myös asentaa latureita suoraan katuihin ja teihin.

Tekniikan kaupallisia sovelluksia kehittää nykyään yhtiö nimeltä Witricity.

Langattomassa sähkönsiirrossa suurin mielenkiinto kohdistuu nyt sähköautojen akkujen lataamiseen.

Siinä hävikki on pieni, koska välimatka tien tai parkkiruudun pinnassa olevan lähettimen ja autossa olevan vastaanottimen välillä on pieni.

Berliinissä viime vuonna tehdyissä testeissä hävikki oli langattomassa latauksessa 10 prosenttia ja kaapelilla ladattaessa 5 prosenttia.

Aluksi sähköautoja ladataan langattomasti pysäköitynä, mutta Tel Avivissa Israelissa on testattu hyvin tuloksin sähköbussien akkujen latausta ajoradassa olevilla magneettikeloilla.

Tulevaisuudessa auton akku siis latautuu tien pintaan asennetuista latureista ajon aikana.

Suprajohde vaatii superpakkasen

2000-luvun merkittävin mullistus sähkömagnetismin saralla tapahtuu kuitenkin suprajohtimissa.

Suprajohtavuus tarkoittaa tilaa, jossa sähkö kulkee aineessa kokonaan ilman vastusta.

Ilmiön olemassaolon keksi alankomaalainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes jo vuonna 1911.

Kaikilla suprajohtavilla aineilla on niin sanottu kriittinen lämpötila. Jos ne lämpenevät sen yli, suprajohtavuus katoaa.

Video: katso, miten jäähdytetty suprajohdin leijuu Möbiuksen nauhan yllä

Yleisimmät tunnetut suprajohtavat aineet vaativat −269 asteen lämpötilan.

Siksi ne on jäähdytettävä nestemäisellä heliumilla, mikä on kallista.

Toistaiseksi onkin käytössä vain yksi arkinen laite, jossa suprajohteita käytetään: sairaaloissa käytettävä magneettikuvauslaite.

Veressä on paljon vetyä, joka reagoi magneettikuvauslaitteen säteilyyn. Tämä kuva aivojen verenkierrosta on otettu voimakkaalla seitsemän teslan kuvauslaitteella.

© Courtesy of Professor Markus Barth, Centre for Advanced Imaging, The University of Queensland

Sellaisen magneetit tuottavat yleensä magneettikentän, jonka voimakkuus eli niin sanottu magneettivuon tiheys on 1–3 teslaa.

Se vastaa 1 500–3 000 jääkaappimagneetin voimakkuutta. Viime vuosina on tullut myös seitsemän teslan magneettikuvauslaitteita.

Mitä voimakkaamman magneettikentän laite tuottaa, sitä pienempiä yksityiskohtia se erottaa.

Kolmen teslan magneettikentällä erottuvat millimetrin kokoiset kohteet. Seitsemällä teslalla päästään 0,5 millimetriin.

Minnesotan yliopistossa Yhdysvalloissa testataan jo 10,5 teslan magneettikuvauslaitetta.

Sen erottelukyvyn pitäisi olla jo 0,2 millimetrin tasoa. Silloin olisi mahdollista nähdä hermosolut toiminnassa kaikissa kolme millimetriä paksun aivokuoren seitsemässä kerroksessa.

© F. Durillon/CEA & Shutterstock

Magneetti kuvaa aivoja työssä

Ranskalainen Iseult-magneettikuvauslaite otetaan käyttöön vuonna 2022. Sillä pystytään erottamaan alle 0,2 millin kokoisia yksityiskohtia, joita nykyään nähdään vain mikroskoopilla. Luvassa on siis suoraa kuvaa hermosolujen toiminnasta, kun aivot ovat työn touhussa. Tavoitteena on tunnistaa aivosairaudet entistä varhemmin.

Helium viilentää suprajohtimen

Kuvauslaitteen jäähdyttimessä on −271-asteista nestemäistä heliumia, joka pitää laitteen niin kylmänä, että se pysyy suprajohtavassa tilassa.
Massiivista magneettia kiertää jäähdyttämässä 7 000 tonnia heliumia.

182 kilometriä kaapelia

Laitteen ydin on kela, jossa on 182 kilometriä niobium-titaanikaapelia. Kela on viisi metriä pitkä ja 132 tonnia painava sähkömagneetti. Sen luoma magneettikenttä on 223 000 kertaa niin voimakas kuin Maan magneettikenttä.

Suoraa kuvaa aivosoluista

Radiosäteily saa aivosolujen vetyatomien magneettisen suunnan muuttumaan. Kun säteily katkaistaan, atomit hakeutuvat lähtotilaansa ja ne lähettävät signaalin, jonka laite havaitsee. Siitä voidaan päätellä aivosolujen rakenne ja aktiivisuus.

Typpi korvaa heliumin

Kehitteillä on myös keraamisia aineita, jotka eivät tarvitse aivan yhtä hyytäviä pakkasia pysyäkseen suprajohtavina.

Jos magneettikela pitää saada ”vain” 196 asteen pakkaseen, jäähdyttämiseen voidaan käyttää nestemäistä typpeä, jota on helpompi valmistaa kuin nestemäistä heliumia.

Typpijäähdytteiset magneettikuvauslaitteet olisivat pienempiä ja halvempia kuin nykyiset.

Tällaisten magneettikelojen käämilankoja valmistetaan jo teollisesti, ja äskettäin yhdysvaltalaistutkijat valmistivat suprajohtavasta Rebco-materiaalista magneetin, jonka voimakkuus on 45,5 teslaa.

Brittiläisen Tokamak Energyn suprajohtava Rebco-magneetti koostuu ohuesta suprajohtavasta nauhasta, joka kierretään johtimeksi magneettisen kelan ympärille.

© Tokamak Energy

Huippuvoimakkaat magneettikentät voivat avata mahdollisuuksia todella suurille teknisille läpimurroille, kuten fuusioreaktorille, jollaista Tokamak Energy -yhtiö kehittää.

Fuusioreaktio vaatii sadan miljoonan asteen lämpötilan, ja se taas edellyttää äärimmäisen voimakkaita magneettikenttiä, jotta reaktorin polttoaine saadaan pysymään paikoillaan.

Fuusioreaktorissa syntyy energiaa, kun kaksi vety-ydintä yhtyy. Sen uskotaan ratkaisevan ihmiskunnan energian tarpeen turvallisesti ja ympäristöystävällisesti. Fuusiopolttoaine pitää kuumentaa miljooniin asteisiin. Suprajohtava magneetti pitää kuuman vedyn aloillaan.

© Tokamak Energy

Elektroni saa kidehilan puristumaan kasaan

Suprajohtava aine koostuu posi­tiivisesti varautuneiden ionien muodostamasta kidehilasta. Kun hilaan tulee negatiivisesti varautunut elektroni, se vetää ympäriltään ioneja puoleensa.

© Tokamak Energy

Kidehilaan tulee uusi elektroni

Kun positiivisesti varautuneita ioneja kasaantuu yhteen kohtaan, siinä suprajohtimen pisteessä syntyy positiivisen varauksen ylijäämä, joka vetää puoleensa uuden elektronin.

© Tokamak Energy

Elektroniparit luovat häviöttömän virran

Kaikki suprajohtimen elektronit muodostavat pareja, jotka pujottelevat kidehilan positiivisten varauskeskittymien lomassa. Yhdessä ne muodostavat sähkövirran, joka etenee ilman vastusta.

© Tokamak Energy

Magneettikenttä pitää poltto­aineen koossa

Pallomaisen ST40-fuusioreaktorin sisällä on Rebco-suprajohde, jonka voimakas magneettikenttä puristaa polttoaineen kokoon. Kun polttoaineen tilavuus pienenee, reaktorin koko voi olla vain 1/20 esimerkiksi Iter-koereaktorin koosta. Samalla rakentaminen ja käyttö halpenevat. Palloreaktoriin on jo saatu 15 miljoonan asteen lämpötila. Tänä vuonna tavoitteena on 100 miljoonaa astetta.

Suprajohteita huoneenlämmössä

Lopullinen tavoite on suprajohde, joka toimii huoneenlämmössä. Tällöin esimerkiksi sähkönsiirrossa ei häviäisi energiaa lainkaan.

Äskettäin saksalaiset ja yhdysvaltalaiset tutkijat tuottivat lantaanista ja vedystä aineen, joka on suprajohtava 22 pakkasasteessa.

Tosin se tarvitsee myös vähintään miljoonan baarin paineen, joten sovelluksia arkikäyttöön saadaan vielä odottaa.

Video: Sähkömagneettinen tykki sinkoaa ammukset 9 000 kilometrin tuntivauhtiin

Toiveet kohdistuvatkin nyt kiinteään vetymetalliin.

Teorian mukaan kovassa paineessa syntynyt kiinteä metallinen vety säilyttää atomirakenteensa ja ominaisuutensa, vaikka paine poistuisikin – samalla tavalla kuin timantti, joka syntyy kovassa kuumuudessa ja paineessa Maan sisuksissa mutta säilyttää muotonsa myös Maan pinnalla.

Tutkijoiden visioissa sähkömagnetismin maailma muuttuu suprajohtavaksi vielä tämän vuosisadan kuluessa.