SeyrüseferMalzeme Bilgisi → Üstüniletkenler

Üstüniletkenler

Seyir Defteri - Malzeme Bilgisi
Pazar, 03 Haziran 2018

Süperiletken ve Meissner EtkisiHollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes ve takımı, maddenin çok düşük sıcaklıklardaki özelliklerini ve davranışlarını incelerken, mutlak sıfır noktasının sadece 4,2derece üzerinde Civanın elektriğe hiç direnç göstermediğini farkettiğinde insanlık tarihinin en önemli bilimsel keşiflerinden biri 1911 itibarı ile yapılmış oldu.

Nükleer güç ve elektronik ile birlikte 20.Yüzyılın en önemli üç teknolojik keşfinden biri olarak kabûl edilen ve süperiletkenlik (üstüniletkenlik) olarak adlandırılan bu yeni fizik sahasındaki çalışmalar, sahip olduğu potansiyel ile yeni imkânlara erişebilmek için gerçekleştirilen çok geniş ar-ge çalışmalarına bağlı olarak hızla gelişmeye devam etmektedir.

Bununla birlikte keşiften bu yana geçen ilk asır bir nevi kuluçka dönemi gibi düşünülebilir ki içinde bulunduğumuz ikinci dönemde 21.Yüzyılın, bu sahada gerçekleşmesi muhtemel gelişmelere bağlı olarak çok geniş bir alanda ânî teknolojik sıçramaların yaşanmasına şahit olması beklenebilir.


İletken ve Süperiletken Direnç Davranışı

Resim.1) İletken ve Süperiletken malzemelerin sıcaklığa bağlı elektriksel direnç davranışı.


Malzemeye göre değişen belli bir kritik sıcaklık (Tc) sınırının altında [Resim.1] süperiletkenlik hâline geçiş iki temel davranışla kendini belli eder:

  1. İlk olarak, malzeme elektrik akımına hiç direnç göstermemeye başlar ve bu sayede direnç sıfıra düştüğü için elektrik malzeme içinden akarken hiçbir kayba uğramaz.
  2. İkinci olarak, belli bir sınıra kadar, haricî manyetik alanlar süperiletkene nüfûz edemez ve fakat yüzeyinde kalır ki bu olay ilk kez 1933'de alman bilimadamı Walther Meissner tarafından gözlemlenmiştir. [Resim.3]

Mevcut klasik fizik ve temel katı hâl kuvantum kuramları süperiletkenliği açıklayamıyordu ve ancak 1957'de ABD'de üç araştırmacı1 tarafından ortaya atılan ve BCS olarak adlandırılan kuram ile süperiletkenlik olgusunun nazarî bir tabana ilk kez oturtulabilmesi yönünde ciddi bir ilerleme sağlanabildi. Bununla birlikte BCS kuramı 80°K ve üstü yüksek sıcaklık süperiletkenlerine bir açıklama getirememektedir.


Süperiletkenler (Üstüniletkenler) ve Meissner Etkisi

Resim.2) Süperiletkenler (Üstüniletkenler) ve Meissner etkisi.[3]
Bir süperiletken ile doğal mıknatısın etkileşimi.


Maddenin süperiletkenlik hâli iki şekilde ortadan kalkar; sıcaklığın Tc'nin üzerine çıkması veya ortam manyetik alanının malzemeye nüfûz edip Meissner etkisini bastıracak kadar güçlü olması. Bu açıdan değerlendirildiğinde iki temel süperiletken sınıfından bahsedilebilir:

  • Tip-1 malzemeler ancak zayıf manyetik alanlar içindeyken süperiletken olarak kalabilirler ve manyetik alan güçlendiğinde süperiletkenliklerini kaybederler.
  • Tip-2 malzemeler ise güçlü manyetik alanlar içinde de süperiletkenliklerini muhafaza edebilirler.

Kritik sıcaklık davranışları açından ise süperiletkenlik iki temel sınıfa ayrılır:

  1. Düşük Sıcaklık Süperiletken (DSS)
  2. Yüksek Sıcaklık Süperiletken (YSS)

Düşük sıcaklık süperiletkenleri adından da anlaşıldığı üzere çok düşük sıcaklıklarda süperilektkenlik gösterebilen malzemelerdir ki Tc'nin ~25°K'nın altında gerçekleştiği malzemeler bu sınıftandır.

Periyodik cetveldeki elementlerden, yeryüzü ortam basıncında süperiletken olabilen 33'ü ve ancak yüksek basınç altında süperiletken davranışı gösterebilen 23'ü olmak üzere toplam 56 elementin tamamı DSS (Düşük Sıcaklık Süperiletken)'dir ve içlerinde en yüksek geçiş sıcaklığına (Tc) sahip olan ise 7,2°K (-265,8°C) ile Kurşundur. Bu arada, en etkin sıradan iletkenler olan Bakır, Altın ve Gümüşün süperiletkenlik göstermediğini de belirtmek gerekir.


Element Simge Tc (°K)
Kurşun Pb 7,196
Civa Hg 4,15
Kalay Sn 3,72
Krom Cr 3,00
Toryum Th 1,38
Aluminyum Al 1,175
Çinko Zn 0,85
Titanyum Ti 0,40
Tungsten W 0,0154
Lityum Li 0,0004

Çizelge.1) Olağan basınç altında süperiletken olabilen bâzı elementlerin kritik üstüniletkenlik sıcaklıkları (Tc)


1911'deki heyecan verici keşiften sonra daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik gösterebilen malzemeler için yoğun bir arayış başladı. Bunun temel sebebi DSS malzemeler için gereken çalışma sıcaklıklarına ulaşmanın son derece karmaşık ve yüksek maliyetli olmasıydı ki bu durum söz konusu malzemelerin gerçek hayat uygulamalarında kullanılabilmelerinin önünde çok büyük bir engeldi. DSS için gerekli soğutma maliyeti YSS'ye göre yaklaşık on, onbeş kat daha yüksektir.

Periyodik tablo incelemelerinin tamamlanmasından sonra ikinci dalgada metal alaşımları ve bileşikleri üzerinde arayış başladı. 1941'de 16°K süperiletken olan Niyobyumnitrür, 1953'de 17,5°K'lık Vanadyumsilikon ve 1962'de ise ilk ticari süperiletken kablo malzemesi olarak 9,4°K'lık Niyobyumtitanyum (NbTi) geliştirildi.

1980'ler organik (Karbon temelli) süperiletken çalışmalarının ağırlık kazanmasıyla süperiletkenlik tarihinin en önemli dönemlerinde biri oldu ve ilk olarak Hollanda ve Fransa merkezli çalışmalarda önemli ilerlemeler elde edildi.

Nihayet ilk keşiften 75 sene kadar sonra 1986'da İsviçre'de iki bilimadamı2 30°K'da çalışan Bakıroksit temelli bir bileşik bularak beklenen gelişmenin ilk adımını attılar. Daha sonra bu seramik bileşiminin çok küçük miktarda Kurşun ilavesiyle 58°K'da süperiletken olabildiği anlaşıldı.

Böylece YSS (Yüksek Sıcaklık Süperiletken) dönemi başlamış oldu. Takip eden dönemde YSS çalışmaları güçlenerek devam etti ve 138°K'ya kadar yüksek Tc değerlerine sahip malzemeler geliştirilmesi mümkün oldu.


Geçtiğimiz 15 senelik dönem içinde geliştirilen bu yeni malzemelere dayanan teknolojilerin gerçek şartlarda saha uygulamalarına da yavaş yavaş başlandı. Mesela ABD, Detroit'de gerçekleştirilen ilk örneklerden birinde 120m uzunluğundaki üçlü yeraltı enerji nakil hattı YSS kablolarla değiştirildi ve mevcut 8tonluk Bakır kablo yerine 0,110ton 1G süperiletken kablo uygulandı. Günümüzde ise 2G malzemelere geçiş yönünde çalışmalar yapılmaktadır.


Birinci Nesil (1G) olarak tanımlanan bu YSS malzemeleri ile artık 77°K'da sıvılaşan sıvı Azot'u soğutucu olarak kullanabilmek ve bu düşük maliyetli soğutucu çözümü ile o zamana kadar kullanılan sıvı Helyum temelli çok pahalı soğutuculara karşı maliyet-etkin bir seçeneğe sahip olabilmek de mümkün hâle geldi.

1G için öne çıkan en önemli süperiletken malzeme olarak Bakıroksit temelli bir bileşik olan 110°K'lık BSCCO3 (Bi2Sr2Ca2Cu3O) belirtilebilir. Daha sonra geliştirilen İkinci Nesil (2G) malzemeler için başlıca örnek olarak ise yine bir Bakıroksit temelli bileşik olan, daha düşük maliyetli 92°K'lık YBCO4 (YBa2Cu3O7) gösterilebilir.

Fakat bu sahada yaşanan gelişmeler günümüzde de durmadan devam etmektedir ki hepsinden burada bahsedebilmek de mümkün değil. Kaldı ki bu sayfada mevzuyla ilgili bir iki satır temel bilgi verilmesinin asıl sebebi askerî deniz mühendisliği alanında gerçekleşmekte olan süperiletken malzeme uygulamalarına bağlı teknoloji sıçramasının yakın dönemdeki etkilerine dikkât çekmek amacıyla bahsi geçecek sonraki birkaç makalenin temel yapısına bir âşinâlık sağlanabilmesinden ibaretti.

♦ Açıklamalar

1. Mikroölçekli Süperiletkenlik Kuramı: John Bardeen, Leon Cooper ve John Schrieffer [geri]
2. Alex Müller ve Georg Bednorz [geri]
3. Bismuth-Strontium-Calcium Copper Oxide'den kısaltma [geri]
4. Yttrium-Barium Copper Oxide'den kısaltma [geri]

♦ Kaynaklar

1. http://www.superconductors.org
2. https://home.cern/about/engineering/superconductivity
3. Resim.2 - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Meissner_effect_p1390048.jpg
4. Application of Low and High Tc Superconductors in Magnets and Power Applications, René Flükiger
5. Rise of the Superconductor - Renewable Energy Focus, 2009 (Temmuz-Ağustos), George Marsh
 







Telif Hakkı © 1997-2018 [uskudar.biz] - sürüm 5.5.1 - Bütün Hakları Saklıdır. Kullanım şartları için tıklayın!
Joomla! GNU/GPL lisansı altında özgür bir yazılımdır.