Spojrzenie w XXI wiek.To, co dzieje się w naszych czasach, dosłownie na naszych oczach, i w czym biernie uczestniczymy ze zdumieniem spoglądając dookoła, tak naprawdę przekracza granice wyobraźni naszych przodków.
Wszak niektórzy z nich rozpoczynali życie jeszcze na początku naszego XX wieku, nazwanego najprzód wiekiem elektryczności, nieco później wiekiem atomu, a na koniec – być może – wiekiem ujawnienia nieograniczonych możliwości człowieka. Temu zresztą będzie poświęcony cały cykl artykułów, które obecnie pragnę napisać. Niektóre z nich wprawią państwa wręcz w zdumienie graniczące z osłupieniem: jakże to, więc ten etap już osiągnęliśmy? – sami sobie zadacie pytanie. A ja odpowiem tylko: tak już! – Zmierzamy dalej!
Nareszcie efektywne samochody elektryczne, które – mimo oporów dzisiejszych producentów benzynowych pojazdów – zawojują świat, a jednocześnie przyczynią się do odratowania środowiska naturalnego. Nareszcie pociągi pędzące z niewiarygodną prędkością na poduszce magnetycznej! Nareszcie ciche wielkie zakłady energetyczne, które przestaną smrodzić, emitując w przestrzeń powietrzną szkodliwe gazy i pyły! Nareszcie kontrolowana synteza termojądrowa i “zimna fuzja”. Świat możliwości bardziej fantastycznych od najfantastyczniejszych nawet pomysłów autorów powieści typu “s-f”. Słowem – kluczem do tych wszystkich informacji przekazanych powyżej jest: nadprzewodnictwo!
Na całym świecie, we wszystkich laboratoriach i instytucjach naukowo-badawczych, w których istnieją po temu warunki, trwa intensywna praca. Substancje potrzebne do niej znajdują się w zasięgu ręki, konieczna aparatura do tego również nie jest zbyt wyrafinowana. Potrzeba jedynie talentu, cierpliwości, pracy, powtarzalności doświadczeń i chyba jednak… nieodzownego łutu szczęścia.
O czym mówimy?
W ogóle co to takiego jest nadprzewodnictwo? Pewne substancje w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu tzw. zero Kelvina (minus 273 stopnie Celsjusza) tracą opór elektryczny. Oznacza to, że przewodzą prąd elektryczny bez strat, czyli bez wydzielania ciepła. W konsekwencji owe “zastygłe” atomy w niskich temperaturach bliskim zeru absolutnemu stwarzają możliwość wytwarzania ogromnych pól magnetycznych. Ten drugi fakt ma jeszcze większe znaczenie.
Aby normalna miedziana cewka wytrzymała pole magnetyczne równe 1 Tesli (około 200 tys. razy tyle, co ziemskie pole magnetyczne) – potrzeba ogromnej energii i potężnej, wartko płynącej rzeki do jej wychłodzenia.
Już Heike Kammerlingh Onnes, holenderski badacz, który odkrył nadprzewodnictwo, oczyma swej wyobraźni widział świetliste perspektywy, jakie nieść mogą ludzkości nadprzewodzące elektromagnesy. Zadowolić się jednak musiał jedynie wizjami, bo badane przez niego nadprzewodniki (rtęć, ołów, cyna) przy niewielkim tylko polu magnetycznym traciły właściwość nadprzewodzenia.
Przesadą byłoby twierdzić, że od tego czasu, a upłynęło już z górą siedemdziesiąt lat od odkrycia Holendra, nic w nadprzewodnikach nie drgnęło. W latach siedemdziesiątych stwierdzono w Ameryce, że stopy niobu i cyny, niobu i tytanu, a także niobu i germanu wytrzymują niezwykle silne pole magnetyczne, to znaczy pozostają nadal nadprzewodzące. Był to pierwszy poważny przełom na drodze do praktycznego zastosowania: pierwsze nadprzewodzące cewki pozwoliły zbudować aparaturę medyczną opartą na rezonansie magentycznym, tomografy, a słynny japoński pociąg Tokyo – Nagasaki rozwijający prędkość powyżej trzystu km/godz. pędzi na poduszce magnetycznej, wybudowano też kilka gigantycznych akceleratorów, z największym z nich w Szwajcarii.
A jednak istniał wciąż poważny szkopuł: zjawisko występowało w tak niskich temperaturach, że do wychładzania odpowiednich substancji można było używać jedynie ciekłego helu, gazu drogiego, a ponadto łatwo się ogrzewającego. Mnóstwo energii, a więc i pieniędzy potrzebnych do jej wytworzenia, pochłaniało skroplenie gazu i równie dużo izolacji termicznej niezbędnej do utrzymania go w stanie skroplonym. Tak więc – mimo teoretycznych możliwości – przez wiele kolejnych lat zjawisko nadprzewodnictwa miało jedynie sens naukowej ciekawostki. Praktycznie rzecz biorąc, każdy kto chciał, mógł sobie zmajstrować cewkę czy cały silnik oparty o zasady nadprzewodnictwa.
Czas alchemików
Nagle jednak wszystko zmieniło się. Wielonakładowy “Time”, z którego zaczerpnąłem informację, choć później rozszerzyłem ją o kilka publikacji z “Scientific American”, określił obecną sytuację jako typowe “nadprzewodnikowe szaleństwo”. Dokonali tego trzej ludzie, którzy z cierpliwością alchemików, a trochę i na oślep, przez kilka lat szli cierpliwie wyznaczoną drogą, która przed laty nie doprowadziła innych do celu. Myślę tu o dwóch Szwajcarach: Karlu Alexsie Muellerze i jego doktoracie, Johannesie Georgu Bendnorzu (z pochodzenia Polak, do czego zresztą przyznaje się) oraz o Amerykaninie, Dennisie Stamfordzie, którzy niezależnie doszli do wniosku, że zamiast stopów metali trzeba zastosować tlenki metali, znane jako ceramiki. Był to strzał naprawdę iluminacyjny. Zaskakujący i nieobliczalny, bo przecież wszyscy dobrze wiedzą o tym, iż ceramiki używa się jako izolatora np. w liniach wysokiego napięcia, transformatorach dużej pojemności itp. Ciekawe, że pierwsze nadprzewodniki, rtęć, ołów, cyna, a także stopy metali niobu z cyną, tytanem i germanem, o których pisałem powyżej, w normalnych temperaturach (do 35 stopni Celsjusza) nie należą wśród metali i ich stopów do najlepszych przewodników. Ta konstatacja najwyraźniej natchnęła współczesnych alchemików do tego, by szukać tam, gdzie nikt nie spodziewał się niczego już znaleźć.
Przez kilka następnych lat Mueller, Bednorz i Stamford pichcili setki mieszanin najrozmaitszych tlenków metali, właśnie owych ceramików, niczym alchemicy poszukujący kamienia filozoficznego, wreszcie najzupełniej niezależnie – zmieniając proporcje i składniki – trafili, praktycznie rzecz biorąc, na to samo: mieszanina baru, lantanu, miedzi i tlenu (minimalne różnice w proporcjach między Szwajcarami a Amerykaninem) wykazywała odznaki nadprzewodnictwa nawet w warunkach po prostu bezprecedensowych, bo w temperaturze 35 stopni Kelvina. Nie mogli uwierzyć, że barieria temperatury padła tak łatwo. Długo jeszcze próbowali przeprowadzić kolejne doświadczenia ze swą substancją, gdyż nie chcieli się ośmieszyć w świecie naukowym. Wreszcie niemal równocześnie opublikowali wnioski długoletnich poszukiwań. Szwajcarzy w “Zeitschrift Fur Physik”, a Amerykanin w “Physical Review Letters”.
Zaobserwowany przez naukowców skok temperatury takiego rzędu – skwitowano na świecie wzruszeniem ramion. Niemożliwe – skwitował wyczyn Szwajcarów z amerykańskiej filii IBM w Genewie mądrzy specjaliści od nadprzewodnictwa. Kiedy jednak tuż po nich Amerykanin Stamford opublikował swój artykuł w liczącym się czasopiśmie specjalistycznym, poczęto uważniej analizować tę “rewelację”. Analizować i powtarzać wyniki w warunkach laboratoryjnych, w oparciu, tak jak i oni, o ceramiki.
Chińska kropla
Do końca grudnia 1986 roku potwierdzenie wyników dwóch Szwajcarów i Amerykanina przyszło najpierw z Tokio, a później z pekińskiej Akademii Sinica, wreszcie także ze Stanów, z Teksasu, z Houston, gdzie sprawdzała je mała grupa zapaleńców nowej rewolucyjnej metody w nadprzewodnictwie pod przewodnictwem pracującego w Ameryce Tajwańczyka, Ching-Wu (Paula) Chu. I wtedy rozpoczęła się prawdziwa gorączka.
Chu i jego grupa poddali IMB-owską mieszaninę Szwajcarów, Muellera i Bednorza (otrzymali oni w 1987 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki), wysokiemu ciśnieniu i w ten sposób zwiększyli temperaturę towarzyszącą zjawisku nadprzewodnictwa do 52.2 stopni Kelvina. Dalszy postęp – zdaniem Chu – można było uzyskać tylko w drodze modyfikacji mieszaniny. Znowu “ściana” i błądzenie dookoła, by znaleźć wyjście z sytuacji.
I wyjście znaleziono. Materiały ceramiczne łamały dotychczasowe bariery w zastosowaniach nadprzewodnictwa, pozwalały oderwać się od tak kłopotliwego chłodziwa, jakim był skroplony hel i zadowolić się “ordynarnym” azotem, którego jest pod dostatkiem w atmosferze naszej planety, bo jej 3/4 to właśnie ten gaz. Chodziło teraz o znalezienie takiego materiału, który pasowałby do przedstawionych powyżej parametrów. Metodą prób i błędów doszli do właściwego stopu czy raczej, niekiedy spieku tlenków.
Wcześniej jednak, bo na początku 1987 roku, w laboratoriach IMB pod kierunkiem Hindusa, Praven Chaudhari (oto wymowny dowód na to, co zwykle nazywamy “drenażem mózgów”, bo całe nadprzewodnictwo jest “zalane” przez… naturalizowanych Amerykanów, bądź pracowników filii amerykańskich przedsiębiorstw w Europie i w Azji), a w tym przypadku “gra była warta świeczki”, gdyż opanowanie nadprzewodnictwa stanowiło istotny element tzw. wyścigu zbrojeń i do dzisiaj posiada walor badań ściśle tajnych, tworzy pierwszy cieniutki półprzewodnik ceramiczny specjalnie przeznaczony do pracy w ciekłym azocie, mogący stanowić “serce” komputerów wolnych od dotychczasowych problemów z przegrzewaniem się mikroskopijnych warstewek półprzewodnikowych, co dotychczas ograniczało tak szybkość, jak i miniaturyzację komputerów zarówno operacyjnych, jak i personalnych.
Przy okazji powstaje niezwykle czuły wykrywacz pól magnetycznych mający podstawowe znaczenie nie tylko jako narzędzie fizyków, ale także wojskowych, którzy w ten sposób “dorobili się” wykrywacza wrogich okrętów podwodnych i niezawodnego celownika wymierzonych w nie torped czy bomb głębinowych.
Rusza naprawdę wielki wyścig laboratoriów i fizyków, bo jest o co powalczyć. Prawdę powiedziawszy – jest o co powalczyć, zwłaszcza w ostatnim okresie. Chociaż “wyścig” rozgrzewał do białości “siwe” głowy fizyków na całym świecie od samego początku – zjawisko nadprzewodnictwa ujawniało i coraz bardziej ujawnia pełnię możliwości. Entuzjazm wobec tego bynajmniej nie wygasa dzisiaj, w czasie Trzeciego Tysiąclecia. Znawcy doskonale wiedzą, że silnik oparty o zasady nadprzewodnictwa będzie silnikiem przyszłości.
A więc jest o co walczyć już dzisiaj. Zaś Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne nadal podsyca ten entuzjazm – perspektywy są bowiem niewyobrażalne. Chciałoby się powiedzieć – “drżyjcie małe zielone ludziki w swoich latających spodkach”, bo może już wkrótce Ziemianie będą dysponowali podobnymi pojazdami.
Tempo prac, nie tylko że nie spada w miarę upływu czasu, ale nawet wzmaga się i renomowany “Physical Review Letters” oblegane jest corocznie setkami prac, mniej ważnych i bardziej ważnych, godnymi opublikowania. A zagadnień do rozwiązania nie brakuje, czego najlepszym przykładem jest to, że do dzisiaj nikt nie wie na czym, teoretycznie, nadprzewodnictwo polega. Po prostu – zaobserwowano to zjawisko i natychmiast wyciągnięto zeń korzyści, choć – jak widzimy – przez długi czas nie można było ruszyć z miejsca. Ale w encyklopediach i podręcznikach wciąż pisze się, że nadprzewodnictwo to domena najniższych temperatur.
Tymczasem Paul Chu, do którego powracamy tu, znajduje materiał o temperaturze krytycznej 240 stopni Kelvina, a więc będący nadprzewodnikiem w temperaturach osiąganych w dobrych zamrażarkach lodówek. Jego prymat trwa zaledwie przez kilka miesięcy, bo Japończyk Himuoszi Ihara, osiąga punkt krytyczny pewnej mieszaniny tlenków przy 238 stopni Kelvina, a więc przy około 68 stopniach Celsjusza, tym razem ze znakiem plus. Zostaje więc otwarta droga do stworzenia materiałów będących nadprzewodnikami w temperaturze pokojowej, niewymagających jakiegokolwiek chłodzenia. Ahmed Ebril (kolejny import amerykański) z Georgia Institute of Technology ogłasza dane o uzyskaniu przez niego śladów nadprzewodnictwa w wyprodukowanym przez niego materiale w temperaturze powyżej punktu wrzenia wody.
Złamanie kolejnych dwóch barier
W latach 1987/8 zostały złamane kolejne dwie bariery uniemożliwiające powszechne zastosowanie nadprzewodnictwa, czyli na szeroką skalę przemysłową. Nadprzewodniki są bowiem wrażliwe nie tylko na temperaturę, ale i na pole magnetyczne wytwarzane przez płynący przez nie prąd, jeśli przepuścimy większy prąd przez nadprzewodzące urządzenie – może ono utracić swe właściwości tylko na skutek istnienia pola magnetycznego.
Tymczasem pod kierownictwem innego Chińczyka “na amerykańskiej służbie”, Gilberta Y. Chira, kierującego pracami w dziedzinie inżynierii materiałowej w laboratoriach firmy “Bell”, powstały nadprzewodniki ceramiczne nie obawiające się wielkich prądów i wywoływanych przez nie potężnych pól magnetycznych. Wymagają one jedynie chłodzenia płynnym azotem, otwierając tym samym drogę z laboratoriów do hal fabrycznych. Inna z kolei amerykańska firma “Westinghouse Electric” opracowała specjalne złącza doprowadzające wielkie prądy elektryczne (tak pod względem napięcia, jak i natężenia) do nadprzewodników, ponieważ dotąd bywało tak, że wprawdzie nadprzewodnik eliminował straty prądu, ale rosły w to miejsce straty w przegrzewających się złączach.
Stan zrodzonych nadziei
Fizyka nadprzewodników jest dziś z pewnością – obok fizyki cząstek elementarnych i fizyki półprzewodników – najbardziej obiecującym i zarazem najbardziej pasjonującym działem tej nauki.
Co my, laicy, wiemy dotąd na pewno? Wiemy, że właśnie brak umiejętności budowania nadprzewodzących magnesów oraz superszybkich, a jednocześnie małych gabarytowo, miniaturowych wręcz, komputerów – potrzebnych głównie do celów wojskowych, zmontowanych na bazie półprzewodników, zanurzonych w ciekłym gazie helu albo azocie – stał się jednym z p owodów, obok “gwiezdnych wojen”, przegrania rywalizacji Związku Sowieckiego ze Stanami Zjednoczonymi.
Rosjanie mieli miażdżącą przewagę w armii i w sprzęcie bojowym, ale nie w technologiach i innowacyjności. Przede wszystkim – nie w komputerach trzeciej i czwartej generacji. Wiemy też, że obecnie “niemal pierś w pierś” toczy się milczący wyścig o opanowanie zjawiska nadprzewodnictwa i okiełznanie go dla celów wojskowych, przemysłowych, wreszcie komercyjnych między Stanami Zjednoczonymi, Japonią i Chinami. Wiemy, że ze sfery mrzonek w sferę funkcjonujących modeli i coraz bardziej realnych projektów przemysłowych wchodzą silniki elektryczne wolne od strat mocy, takież transformatory i linie przesyłowe. Wiemy, że istnieją najszybsze na świecie komputery, w których wykorzystano efekt nadprzewodnictwa. Wiemy wreszcie, że istnieje “tevatron”, czyli taki elektromagnes, który otwiera nowe perspektywy podróżowania. Czy to mało? Faktów jest na pewno dużo więcej, lecz są skrzętnie ukrywane przed opinią publiczną i konkurencją.
Ale wkrótce ujrzą światło dziennie, bo takie jest prawo ekonomii, a nie fizyki. Przypominam światową karierę lasera.
Leszek Andrzej Lechowicz
