ابر رسانا - بخش2

سیستمهای قدرت در برگیرنده کلیه تجهیزات و روشهای تولید الکتریسیته، ذخیره سازی آن برای استفاده های بعدی، توزیع برای مصرف کنندگان و بالاخره وسایل و قطعات الکتریکی مربوط به آنهاست. به کارگیری مواد ابر رسانا در ساخت مولدهای، برق و شبکه توزیع سبب …….

جلوگیری از اتلاف انرژی و کاهش هزینه های مربوطه، در مقایسه با سیستمهای سنتی امروزی، می‌شود. قبل از پرداختن به سیستمهای قدرت ابر رسانا به نکاتی در مورد تولید و توزیع الکتریسیته اشاره می‌شود.

 

الکتریسیته مصرفی جهانی
به استثنای روشهای آزمایشگاهی از قبیل استفاده از سلول فتوولتایی، توسط مولدهای الکتریکی تولید می‌گردد. مولدهای الکتریکی (یا دینامها) وسایل مکانیکی هستند که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. انرژی مکانیکی لازم برای راه اندازی مولدها به روشهای مختلف تامین می‌گردد که از آن جمله می‌توان از موتورهای بنزینی، توربین بخار و انرژی آبشار نام برد. غالبا از عبارت (محرک اولیه  برای توصیف عامل مکانیکی که مولد را به کار می‌اندازد استفاده می‌شود.
تمام مولدها بر طبق القای الکترومغناطیسی کار می‌کنند، که اولین بار در سال ۱۸۳۱ توسط دانشمندان انگلیسی مایکل فارادی کشف شد. او پی برد که با حرکت یک رسانا در مجاورت آهن ربا (یا حرکت آهن ربا در نزدیکی یک رسانا) می‌توان در رسانا ولتاژی الکتریکی القا کرد. اگر رسانا بخشی از یک مولد الکتریکی باشد، ولتاژ القایی سبب ایجاد جریانی الکتریکی در مدار می‌شود.
مولدهای دارای دو قسمت اصلی هستند که عبارتند از سیم پیچ و وسیله ای دیگر که میدان مغناطیسی لازم را ایجاد می‌کند. سیم پیچ بخش رسانایی است که در آن الکتریسیته القا می‌شود. میدان مغناطیسی به صورتی است که در بر گیرنده سیم پیچ در حال حرکت می‌باشد. در اغلب مولدهای بزرگ به جای استفاده از آهن رباهای دائمی از آهن رباهای الکتریکی استفاده می‌شود. آهن رباهای الکتریکی می‌توانند میدانهای مغناطیسی بسیار قویتری نسبت به آهن رباهای دائمی و در فضایی کوچکتر ایجاد نمایند.
شکل
 
الکتریسیته در اثر حرکت سیم پیچ در میدان مغناطیسی یا حرکت میدان آهن ربایی در نزدیکی سیم پیچ تولید می‌شود. اغلب مولد ها به شکل استوانه طراحی می‌شوند، به طوری که میدان مغناطیسی سیم پیچ را در بر می‌گیرد. سیم پیچ یا آهن ربا (یکی از آنها) توسط نیروی مکانیکی می‌چرخد. بخش در حال چرخش، چرخنده   نامیده می‌شود و بخش ساکن را استاتور  می‌نامند. در اغلب مولدها، آهن ربا الکتریکی، چرخنده و  سیم پیچ، استاتور می‌باشد. یک مولد کمکی کوچکتر که محرک (اکسایتر)  نامیده می‌شود. الکتریسیته مورد نیاز برای حرکت آهن ربای الکتریکی را تامین می‌کند.

شکل ایجاد میدانهای مغناطیسی بسیار قوی توسط آهن رباهای ابر رسانایی.

مولدهای الکتریکی بر دو نوعند:  غالبا مولد AC برای تولید الکتریسیته جهت مصارف عمومی به کار می‌رود. هنگامی که سیم پیچ در میدان مغناطیسی می‌چرخد، خطوط نیروی میدان را قطع می‌کند. به ازای ۱۸۰ درجه چرخش، جریان القایی در سیم پیچ در یک جهت جاری می‌شود. در خلال ۱۸۰ درجه دیگر چرخش، جریان در جهت دیگر جاری می‌گردد. این عمل سبب ایجاد ولتاژ و جریان متناوب می‌شود. یک چرخش کامل سیم پیچ یک دور یا سیکل  نامیده می‌شود. تعداد چرخشها (یا دورها) را در هر ثانیه بسامد یا فرکانس  می‌نامند که بر حسب هرتز انداه گیری می‌شود. برق مصرفی خانه ای و تجاری در غالب نقاط جهان از نوع AC است. در ایالات متحده امریکا معمولا ولتاژ مصرفی ۱۲۰ ولت و بسامد آن ۶۰ هرتز است.
در مولدهای نوع DC (جریان مستقیم)، ولتاژ و جریان متناوب نیستند. در این مولدها با اضافه کردن یک قطعه مکانیکی به سیم پیچ که عمل قطع و وصل را انجام می‌دهد، جریان متناوب به مستقیم تبدیل می‌شود.
انرژی مکانیکی مورد نیاز برای به حرکت در آوردن چرخنده توسط توربین تامین می‌گردد. اصولا توربینها بر دو نوع نوعند: توربین بخار و توربین آب. معمولا توربینهای آبی را به عنوان سیستمهای هیدروالکتریکی می‌شناسند. انرژی حاصل از جریان آب از قبیل آبشار، سبب چرخش توربین می‌شود. توربینها به مولد متصل شده و سبب حرکت چرخنده می‌گردند.
در یک توربین بخار، ابتدا آب به بخار تبدیل می‌شود. بخار تحت فشار مستقیما به توربین رسیده و سبب چرخش آن می‌گردد. برای بخار کردن آب چندین روش وجود دارد.معمول ترین روش حرارت دادن، استفاده از مواد سوختی نظیر گاز طبیعی و زغال است. در نیروگاههای هسته ای، از یک راکتور هسته ای برای گرم کردن آب استفاده می‌شود. صرف نظر از نوع روش به کار گرفته شده در تامین انرژی مکانیکی برای به حرکت در آوردن مولد، نتیجه نهایی تولید الکتریسیته است. الکتریسیته AC تولید شده در نیروگاهها توسط کابلهای رسانا به یک مبدل افزاینده  منتقل می‌شود. مبدل افزاینده وسیله ای الکتریکی است که می‌تواند ولتاژ الکتریکی را همراه با کاهش جریان، افزایش دهد. این عمل به منظور کاهش افت انرژی در انتقال به فواصل درو، توسط خطوط انتقال، انجام می‌گیرد. هر قدر شدت جریان عبوری از یک رسانا بیشتر باشد، افت انرژی، که مربوط به مقاومت الکتریکی رساناست، بیشتر خواهد بود. با افزایش ولتاژ الکتریکی در مبدلهای افزاینده، جریان الکتریکی کاهش می‌یابد و این امر سبب کاهش افت انرژی در خطوط انتقال می‌گردد.
افت ‌توان الکتریکی تابعی خطی نیست، بلکه متناسب با مجذور شدت جریان است و سریعا با اضافه شده جریان افزایش می‌یابد.شکل طرح واره ای از این مفهوم را نمایش می‌دهد. با افزایش ولتاژ، جریان کم شده که در نتیجه کاهش افت توان را در پی دارد. خطوط انتقال برق که از نیروگاههای مختلف خارج می‌شوند، در یک ناحیه به صورت شبکه مشخص و واحدی در می‌آیند.
با انجام این کار، اتلاف توان مربوط به یک نیروگاه را می‌توان با افزایش توان خروجی سایر نیروگاهها جبران نمود. هنگامی که خطوط به نیروگاههای کوچک محلی که در آن جا انرژی الکتریکی برای مصرف کنندگان تولید می‌شود، می‌رسند، ولتاژ توسط مبدلهای کاهنده کاهش داده می‌شود. سپس این ولتاژ از طریق کابلهای هوایی و زمینی به مصرف کنندگان می‌رسد. به هر حال این ولتاژ در محل مصرف و با استفاده از مبدل، در صورت نیاز، باید به مقدار استاندارد ۱۲۰ تا ۲۴۰ ولت تبدیل شود. تا این جا نکاتی در ارتباط و توزیع الکتریسیته بیان شد که فرآیندهایی نسبتا پیچیده هستند. ابتدا صورتی از انرژی مکانیکی یک مولد الکتریکی را به حرکت در می‌آورد.سپس الکتریسیته حاصل باید از طریق خطوط انتقال رسانا و تا حد ممکن با بازده بالا، به مصرف کننده برسد. ابر رسانایی می‌تواند به شکلهای مختلف در کار نیروگاههای برق تاثیر گذار باشد. در قسمتهای بعدی این فصل روشهای گوناگونی را که در آنها از پدیده ابر رسانایی و ابر رساناها در سیستمها و نیروگاههای برق استفاده شده است (یا امکان استفاده از آنها وجود دارد)، بررسی خواهیم کرد.

تولید برق
چشم انداز کاربرد ابر رسانای در تولید الکتریسیته نوید بخش است. در حال حاضر چندین نوع مولد الکتریکی ابر رسانایی مشغول به کارند. علاوه بر این مولدها، سیستمی که به عنوان مگنتوهیدرودینامیک  شناخته شده است، ممکن است روزی الکتریسیته را از پس مانده حاصل از سوخت زغال سنگ تولید نماید. نخستین مولد الکتریکی که سیم پیچ چرخنده آن از مواد رسانایی تهیه شده، برای اولین بار در موسسه فناوری ماساچوست (MIT)   طراحی و آزمایش شد. به دنبال این موفقیت، پژوهشگران MIT یک مولد الکتریکی ابر رسانایی با توان بالاتری را ساختند.
در سال ۱۹۸۳، دانشمندان و مهندسان شرکت جنرال الکتریک اولین آزمایش کامل را در مورد یک مولد الکتریکی ابر رسانا انجام دادند. این مولد در شرایط مختلف تحت بررسی قرار گرفت و نتایج حاصله از نظر صرفه اقتصادی با مولدهای قدیمی مقایسه گردید. چنین مولدی توانست الکتریسیته لازم را برای جمعیتی در حدود ۲۰۰۰ نفر تامین کند، که تقریبا دو برابر توان حاصل از یک مولد سنتی هم اندازه با آن است. چرخنده این مولد که در ازای آن ۱۳ فوت است تا نزدیکی دمای صفر مطلق سرد می‌شود. با استفاده از ابر رساناها در چنین مولدهایی، می‌توان میدانی بسیار قویتر، نسبت به مولدهای سنتی ایجاد کرد. در نتیجه اندازه مولد ابر رسانایی برای ایجاد توان خروجی مشخص می‌تواند کوچکتر از اندازه مولد سنتی برای تولید همان توان خروجی باشد. مزیت دیگر ابر رساناها این است که مقاومت الکتریکی مربوط به شارش جریان الکتریسیته که در چرخنده مولدهای سنتی وجود دارد، در این جا دیده نمی شود. این مساله بازده کار را افزایش می‌دهد که نهایتا سبب کاهش هزینه های عملیاتی مولدهای بزرگتر می‌شود.
سیم پیچ مولدهای سنتی معمولا از نوعی آلیاژ نقره و مس تهیه می‌شود. سیم پیچ مولد ابر رسانایی شرکت جنرال الکتریک از صدها دور سیم مسی که به آن آلیاژی از نایوبیوم- تیتانیوم اضافه شده، ساخته شده است. نکته اساسی و مهم در ساخت مولدهای ابر رسانی جلوگیری از حرکت سیم پیچهای چرخنده در اثر نیروهای مکانیکی و مغناطیسی جلوگیری از حرکت سیم پیچهای چرخنده در اثر نیروهای مکانیکی و مغناطیسی وارد بر آنهاست. چرخنده با تندی ۳۶۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد و هر حرکت کوچک قطعات آن سبب ایجاد گرما می‌شود (در اثر اصطکاک) که این ممکن است عمل سیم پیچهای ابر رسانای را مختل نماید (شکل E).برای غلبه بر این مانع، در مولد ابر رسانای شرکت جنرال الکتریک یک فرآیند اشباع- اپوکسی در خلا طراحی شده است، به طوری که ابر رساناهای نایوبیوم- تیتانیوم به صورتی محکم در جای خود نگه داشته می‌شوند. یک نگهدارنده آلومینیومی برای حفاظت سیم پیچ استفاده می‌شود و سیستمی ویژه برای شارش هلیم مایع در اطراف چرخنده در نظر گرفته شده که سیم پیچها را در دمای بسیار پایین نگه می‌دارد.

در خلال آزمایشها بر روی مولد ابر رسانایی، از انرژی الکتریکی تولید شده توسط خود مولد برای تغذیه موتور الکتریکی که به صورت مکانیکی با آن جفت شده بود استفاده می‌شد. این موتور الکتریکی بخش عمده ای از انرژی مکانیکی مورد نیاز برای چرخانیدن مولد ابر رسانایی را تامین می‌کند. در طول آزمایشها، داده ها از حدود ۷۰۰ حساسگر توسط چندین رایانه دریافت و ثبت می‌گردید  آزمایشهای انجام شده بر روی مولد ابر رسانای شرکت جنرال الکتریک این مطلب را تایید کرد که فناوری لازم برای ساخت چنین مولدی، که بهتر از مولدهای سنتی کار می‌کند، و جود دارد. البته این مولد قبل از کشف ابر رساناهای گرم و با استفاده از ابر رساناهای با دمای بحرانی پایین (قدیمی) ساخته شده است و در حال حاضر هم طرحی فوری برای ساخت چنین مولدهایی یا به کارگیری ابررساناهای جدید با دمای بحرانی بالا وجود ندارد، زیرا قبل از آن باید آزمایشهای لازم روی آنها انجام شود تا نسبت به کارایی این مودا در عبور جریان الکتریکی مورد نیاز و تولید میدانهای مغناطیسی قوی مطمئن شد.

روش دیگر تولید انرژی الکتریکی، با به کارگیری ابر رساناها، مگنتوهیدرودینامیک (MHD) است. در این روش از ویژگیهای الکتریکی و مغناطیسی گازهای یونیزه شده استفاده می‌شود و مطابق این اصل فیزیکی که اگر ماده ای رسانا در یک میدان مغناطیسی حرکت کند ولتاژی در دو انتهای آن به وجود می‌آید، کار می‌کند. مولد MHD به صورت ترکیبی با سوخت سنتی زغالی در ایالات متحده مورد توجه قرار گرفته است، زیرا در این کشور ذخایر غنی زغال سنگ وجود دارد و از طرفی بازده این روش بالاست. در این روش ، گاز یونیده داغ حاصل از سوخت زغال از یک میدان مغناطیسی قوی عبور می‌کند که در نتیجه ولتاژی در دو انتهای آن ایجاد می‌شود. این ولتاژ می‌تواند برای راه اندازی تجهیزات الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد. ضمنا گازی که از مولد MHD خارج می‌شود به اندازه کافی داغ است به طوری که می‌تواند یک توربین بخار سنتی را به حرکت در می‌آورد.
استفاده از رساناهای سنتی در سیستمهای MHD در عمل مقرون به صرفه نیست، زیرا به همان میزانی که انرژی الکتریکی تولید می‌کنند، مصرف خواهند کرد. با وجود آن که کمکهای مالی دولت برای توسعه روش MHD در سال ۱۹۸۱ در ایالات متحده امریکا متوقف شد، اما هنوز آزمایشهایی، در قالب پروژه، در برخی از مراکز پژوهشی در حال اجراست.
چنین به نظر می‌رسد که بیشترین کاربرد ابر رساناها در ساخت مولدهای الکتریکی به منظور تولید انرژی الکتریکی است. اما استفاده عملی ابر رساناهای جدید برای این کار و ساخت مولدهای الکتریکی از آنها در مقیاس بزرگ ممکن است چند سال طول بکشد. در همین  زمینه می‌توان گفت که پدیده ابر رسانایی قادر است روشهایی را برای ذخیره انرژی الکتریکی ارائه دهد که به اشکال دیگر ناممکن به نظر می‌رسد.
کاربرد ابر رساناها در سیستم های ذخیره انرژی
معمولا انرژی الکتریک همزمان با تولید مصرف می‌شود. در حال حاضر روشهای با صرفه ای برای ذخیره سازی مقادیر زیاد الکتریسیته وجود ندارد. بنابراین شرکتهای تولید برق باید پیش بینی درستی از مقدار مصرفی داشته باشند، تا به همان مقدار برق تولید کنند. گاهی اوقات تقاضا برای انرژی بسیار بالاست. به عنوان مثال زمانی که موج هوای گرم وجود دارد و لازم است که دستگاههای تهویه و خنک کننده با تمام توان کار کنند. در زمانهای دیگر تقاضا برای انرژی در حد اعتدال است. به هر حال به منظور مواجهه با چنین مواردی و پاسخ مناسب به انرژی مورد نیاز لازم است بیش از مقدار مصرف برق تولید کنند، که غالبا مازاد انرژی تولید شده باید به روشی مناسب ذخیره گردد.
البته از نظر عملی و هزینه، بسیار مناسب تر است که انرژی در حد ثابت بین مقدار بیشینه و کمینه ای که مورد نیاز است تولید شود، به طوری که وقتی مصرف کنندگان متقاضی انرژی کمتری از این مقدار هستند، مازاد آن به روشی مناسب ذخیره شود و هنگامی که تقاضا برای مصرف بیشتر از این حد باشد انرژی ذخیره شده را بتوان مورد استفاده قرار داد.
در حال حاضر روشهایی برای ذخیره سازی مقادیر زیاد الکتریسیته وجود دارد. باتریها به دلایل مختلف برای ذخیره بالای انرژی مناسب نیستند که هزینه، اندازه، نشت انرژی و نیاز به تجهیزات نگهدارنده از آن جمله اند. روش دیگر برای ذخیره سازی مقادیر زیاد الکتریسیته، استفاده از برق مازاد برای پمپ کردن آب به مخازنی که در ارتفاع بالا قرار دارند می‌باشد. هنگامی که نیاز به انرژی اضافی باشد، آب در مخزن به سمت پایین جاری شده و با چرخاندن توربین، برق تولید می‌شود.
دستگاهی که به نام SMES  ذخیره کننده انرژی مغناطیسی ابر رسانایی) شناخته می‌شود ممکن است روزی بتواند برای ذخیره سازی مقادیر زیاد انرژی الکتریکی به کار رود. همان طور که در فصل اول بیان شد فیزیکدانی به نام انس برای نخستین بار پدیده ابر رسانایی را کشف کرد. انس جریان الکتریکی را در ابر رسانایی به شکل حلقه، که در داخل هلیم مایع سرد شده بود، القا کرد. یک سال پس از حذف منبع تغذیه از مدار، او مشاهده کرد جریان الکتریکی بدون هیچ کاهشی در حلقه برقرار بود. چنین ایده ای در مقیاس خیلی بزرگتر و پیچیده تر، اساس SMES را تشکیل می‌دهد. یک سیم پیچ حلقوی ابر رسانای بزرگ، که احتمالا می‌شود آن را در زیر زمینی جای داد، قادر به ذخیره سازی مقادیر زیادی از الکتریسیته برای مدت زمان بسیار طولانی خواهد بود. سیستم SMES می‌تواند به شبکه برق متصل شود. زمانی که تقاضا برای انرژی الکتریکی کم است، الکتریسیته اضافی در SMES ذخیره شده و هنگامی که تقاضا بالا رود الکتریسیته ذخیره شده در SMES در شبکه جاری می‌شود.
در مقیاس کوچکتر و مشابه با باتری، SMES، می‌تواند با ذخیره الکتریسیته برای مقاصد مختلف ساخته شود، که بسیار شبیه باتری عمل می‌کند. به هر حال طرحهای بسیاری در این زمینه توسط مهندسان در دست اجراست که هنوز کامل نشده و برای دست یابی به اهداف نهایی راه دشواری در پیش است.
نقش ابر رساناها در توزیع انرژی
الکتریسیته تولید شده باید به صورتی مطلوب به مصرف کنندگان برسد. این عمل به کمک یک رشته خطوط انتقال انجام می‌شود که الکتریسیته را از نیروگاه به محل هر متقاضی می‌رساند در سیستمهای امروزی توزیع قدرت، ۱۰ تا ۲۰ درصد انرژی الکتریکی در خلال انتقال هدر می‌رود که این به سبب وجود مقاومت الکتریکی در کابلهای رسانای انتقال است.
با جایگزینی کابلهای ابر رسانا به جای کابلهای رسانای سنتی در شبکه توزیع، اتلاف انرژی به میزان بسیار زیادی کاهش خواهد یافت طرحهای پژوهشی بسیاری در سرتاسر دنیا برای امکان دست یابی به استفاده از خطوط توزیع ابر رسانایی در حال اجراست. جایگزینی کامل ابر رسانایی به جای ابر رسانای سنتی، از نظر اقتصادی، زمانی امکان پذیر و مقرون به صرفه است که بتوان کل انرژی را تنها از طریق یک خط انتقال به منطقه مورد نظر ارسال کرد  باید به این نکته توجه داشت که عملا هزینه های مربوط به سرد کردن خطوط انتقال ابر رساناهای دمای بحرانی پایین به این علت که باید از هلیم مایع در فواصل طولانی استفاده شود، زیاد است و مقرون به صرفه نخواهد بود. به هر حال قبل از هرگونه جایگزینی بهتر است با توجه به کل اتلاف انرژی در کابلهای سنتی، این موضوع از نظر اقتصادی دقیقا بررسی شود. از طرفی انتقال برق به یک ناحیه تنها توسط یک خط نیز عملی با ضریب اطمینان پایین است که باید در نظر گرفته شود. اگر چه هزینه های مربوط به کاربرد ابر رساناهای جدید در دمای بحرانی بالا ظاهرا بسیار کمتر از ابر رساناهای سنتی است، اما هنوز مشکلاتی بر سر راه وجود دارد که مهمترین آنها یکی شکنندگی و انعطاف ناپذیری این مواد و دیگر محدودیت چگالی شارش جریان الکتریکی در آنهاست. به هر صورت این مطلب که در آینده نزدیک عمده جریان توسط خطوط توزیع تهیه شده از مواد ابر رسانای انجام خواهد گرفت، محل تردید است.
برخی ملاحظات اقتصادی وجود دارد که جایگزینی خطوط جریان با استفاده از مواد ابر رسانایی را با مشکل مواجه می‌سازد. تجهیزات سرد کننده به منظور پایین آوردن دمای خطوط انتقال به میزان لازم نیاز به انرژی دارد. علاوه بر این، انجام چنین کاری به زمان نسبتا طولانی، کار وهزینه کردن منابع مالی زیادی نیاز دارد. البته دست یابی به یک ابر رسانای با دمای بحرانی به حد کافی بالا می‌تواند جنبه اقتصادی مساله را تغییر دهد.
با اطمینان میتوان گفت که در نهایت سودهی و مزیت به کار گیری مواد ابر رسانا، در سیستمهای توزیع قدرت مشخص خواهد شد. یک کابل زمینی ابر رسانا می‌تواند جریان بیشماری را با هزینه کمتر، نسبت به کابلهای هوایی معمول انتقال دهد.
مصرف انرژی
مزیتهای استفاده از ابر رساناها تنها در تولید، ذخیره و توزیع انرژی خلاصه نمی شود. نهایتا ابر رسانایی در ساخت وسایل و قطعات خانگی و الکتریکی و … به کار گرفته خواهد شد. وسایلی از قبیل ماشینهای لباس شویی، ماشینهای ظرف شویی و دمنده ها روزی نه چندان دور توسط موتورهای الکتریکی ابر رسانا که انرژی کمتری مصرف کرده و نیز اندازه آنها کوچکتر است کار خواهند کرد.
 
فصل چهارم
ابر رسانایی و صنعت الکترونیک
 
امروزه نقش و اهمیت صنعت الکترونیک و تحولی که در زندگی انسانها به وجود آورده بر کسی پوشیده نیست. به عنوان مثال رایانه وسیله ای الکترونیکی است که در همه جا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این وسیله در اندازه و شکلهای مختلف در اداره های دولتی، سازمانها و شرکتهای خصوصی، دانشگاهها و مدارس، مراکز تحقیقاتی و حتی در داخل اتومبیل و ساعت مچی به کار گرفته می‌شود. در ساخت رایانه و دیگر وسایل الکترونیکی نظیر تلویزیون و دستگاههای صوتی از دو فناوری مهم استفاده شده است: یکی تزانزیستور و دیگر مدارهای مجتمع (ICS). با بهره گیری از این فناوریها، مهندسان توانسته‌اند وسایل الکترونیکی  بسیار پیچیده در اندازه های کوچک را با هزینه های نسبتا پایین طراحی و تولید نمایند.
این مطلب مورد تایید قرار گرفته است که ابر رسانایی به عنوان یک فناوری جددی می‌تواند در توسعه هر چه بیشتر صنعت الکترونیک نقش مهمی داشته باشد. ابر رسانایی همراه با ترانزیستور و مدارهای مجتمع خواهد توانست تحولی شگرف در این زمینه پدید آورد. این فصل کاربردهای ابر رسانایی را در الکترونیک، در زمان حال و آینده، بررسی می‌کند. اما قبل از آن شرح مختصری در مورد تاریخچه ترانزیستور و مدارهای مجتمع آورده می‌شود که در فهم مطالب بعدی کمک خواهد کرد.
ترانزیستور
ساخت ترایستور، در دسامبر سال ۱۹۴۳ میلادی، توسط گروهی از دانشمندان آزمایشگاه تلفن بل کامل شد. ترانزیستور برای کنترل شارش جریان الکتریکی استفاده می‌شود. قبل از اختراع آن، لامپهای خلا برای تقویت جریان، آشکار سازی امواج رادیویی و عمل کلید زنی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. ترانزیستور می‌تواند همین اعمال می‌کند، هزینه ساخت آن پایین است و اندازه آن نیز بسیار کوچک است.
لامپهای خلا که در اوایل دهه ۱۹۰۰ ساخته شدند متشکل از چندین سیم در داخل یک حباب شیشه ای خلا هستند. در یک انتهای لامپ رشته سیمی که کاتد نام دارد توسط رشته داغ دیگری که در مجاورت آن است گرم می‌شود و این سبب گسیل الکترونها از کاتد می‌گردد. این الکترونها به سمت سیمی فلزی که در انتهای دیگر لامپ قرار دارد و‌اند نامیده می‌شود حرکت می‌کنند. اکثر لامپها دارای جز دیگری به نام شبکه هستند. شبکه یک تور سیمی نازک است که بین کاتد و‌‌اند واقع شده و با تغییر ولتاژ آن حرکت الکترونها از داخل شبکه به سمت‌اند کنترل می‌گردد.
چنین لامپی می‌تواند به عنوان یک کلید الکترونیکی عمل کند. با تغییر ولتاژ شبکه، جریان از کاتد به آاند را می‌توان قطع کرد. همچنین ممکن است از لامپ به عنوان یک تقویت کننده استفاده شود و چنانچه شبکه توسط جریان ضعیفی تغذیه شود، افت و خیزهای جریان شبکه می‌تواند شارش بیشتر الکترونها را از کاتد به‌اند سبب شود. جریان قویتری که از آن گرفته می‌شود دارای همان مشخصات جریان ضعیفی است که شبکه را تغذیه می‌کند.
تزانزیستور از مواد نیمرسانا ساخته می‌شود. همان طور که می‌دانیم، نیمرسانا ها دسته ای از موادند که جریان الکتریکی را بهتر از عایقها، ولی نه به خوبی رساناها، هدایت می‌کنند. سیلیکون و ژرمانیم دو نیمرسانای ساده هستند که در ساخت اغلب ترانزیستورها به کار می‌روند. ناخالصیهایی به بخشهایی از نیمرساناها اضافه می‌شود تا وضعیت شارش جریان الکتریکی ماده را تغییر دهد. در نوعی از ترانزیستور، این ناخالصیها ماده را به سه ناحیه که به عنوان گسیلنده، پایه و جمع کننده شناخته می‌شوند، تقسیم می‌کند. این نواحی دارای همان ویژگیهای کاتد، شبکه و‌اند در لامپ خلا هستند. اتصالات فلزی به هر کدام از این ناحیه ها متصل می‌شود و کل آن را داخل قالب محافظ قرار می‌گیرد و به این ترتیب ساخت ترانزیستور کامل می‌گردد.
چند سال طول کشید تا ترانزیستور توانست جایگاه مهمی در صنعت الکترونیک به دست آورد، اما در نیمه دوم دهه ۱۹۵۰، شرکتهای الکترونیکی قطعاتی را ساختند که بدون ترانزیستور قادر به کار نبودند. به زودی، قطعات الکترونیکی که دارای صدها و حتی هزاران ترانزیستور بود، تولید شدند و مهندسان طرحهایی برای ساخت قطعات پیچیده تر ارائه نمودند، که به هر حال برای انجام این طرحها مشکلاتی جدی نیز در سر راه وجود داشت.
هر ترانزیستور، می‌بایست در مدار الکترونیک مربوط به وسیله مورد نظر جای می‌گرفت. رسم نموداری از یک مدار با تعداد زیادی ترانزیستور و قطعات دیگر الکترونیکی، ساده تر از ساخت آن است. هر اتصال امکان قطع مدار را افزایش می‌دهد. یک اشتباه در سمی کشی ممکن است سبب خرابی مدار شود و برای تعمیر مجدد آن و رفع نقص در سیم کشی زمان زیادی صرف می‌شود. چنانچه از بین هزاران ترانزیستور که در یک مدار الکترونیکی وجود دارند یک یدارای نقص باشد، کل مدار دچار اشکال می‌شود. این موارد محدویت و پیچیدگی مربوط به قطعات الکترونیکی را نشان می‌دهد.
مدار مجتمع
بسیاری از مهندسان الکترونیک و پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که باید روش مناسبی برای کاهش تعداد اجزا و قطعات در مدارهای الکترونیکی پیدا کنند زیرا، بالا بودن تعداد اتصالات نه تنها احتمال بروز خرابی و قطع در مدار را افزایش می‌دهد بلکه هزینه های مالی زیادی را نیز در بر دارد. به هر حال چنین به نظر رسید. که بهترین روش ترکیب تعداد زیادی از قطعات جدای از هم و تبدیل آنها به شکل قطعه ای واحد است، که در این صورت به اتصالات کمتری نیاز است. به این ترتیب شاخه جدیدی از علم الکترونیک به نام میکروالکترونیک، که در آن مدارهای الکترونیکی به صورت مینیاتوری تهیه می‌شوند، پا به عرصه ظهور گذاشت که در نهایت به ساخت مدارهای مجتمع انجامید.
در سال ۱۹۸۵ پژوهشگری به نام جک کربی  در آزمایشگاه تگزاس اینسترومنت  موفق به ساخت اولین مدار مجتمع (IC) گردید. کربی قطعات نیمرسانا را، قبل از این که در قالب محافظ قرار گیرند، بر روی پایه ای مومی به صورت مجموعه ای یکپارچه در آورد، سپس قطعه های مختلف را با سیمهای بسیار ظریف (مینیاتوری) به یکدیگر متصل نمود که در نتیجه مدار کاملی با شکلی ساده تهیه شد. اگر چه اقدام کربی در ساخت مدارهای تجمعی (IC) گامی بزرگ در راه توسعه و پیشرفت صنعت الکترونیک بود، اما هنوز مشکلات زیادی در سر راه وجود داشت که باید بر طرف می‌شد، مثلا سیم کشی در هر مدار توسط دست انجام می‌شد، که روشی قابل اعتماد نبود. در همان زمان مهندسی به نام روبرت نویس  در موسسه نیمرسانا بسازد. یعنی به جای ساخت قطعات به شکل جدا از هم و سپس اتصال آنها با یکدیگر، تنها یک قطعه منفرد که می‌توانست عمل چندین قطعه را انجام دهد، تهیه کرد.
در طول چندین سال، تا اواسط سالهای دهه ۱۹۶۰، استفاده از مدارهای مجتمع در صنعت الکترونیک به صورت روشی معمول در آمد. IC های بسیار زیادی طراحی و ساخته شدند که هر کدام برای عملی خاصی در مدار به کار گرفته می‌شد. با اتصال انواع مختلف IC به یکدیگر، وسایل الکترونیکی بسیار پیچیده ای ساخته شدند. امروزه ساخت مدارهای مجتمع که حدود ۱۵۰۰۰۰ ترانزیستور را شامل می‌شود کاری متداول است.
نقش ابر رسانایی
ابر رسانایی از توانایی بسیار بالایی در توسعه صنعت الکترونیک برخوردار است و امروزه به کارگیری ابر ساناها در این زمینه به میزان چشمگیری موفقیت آمیز بوده است. برخی از این کاربردها در فصل بعد که عنوان آن (کاربرد ابر رسانایی در علوم پزشکی) است آورده شده است. با وجود این هنوز مشکلات زیادی در ارتباط با کاربرد ابر رساناها در صنعت الکترونیک وجود دارد که باید بر طرف شود، به ویژه اگر قرار باشد از ابر رساناهای جدید با دمای بحرانی بالا استفاده شود. در بخشهای بعدی این فصل چند مورد از کاربرد ابر رسانایی در الکترونیک بررسی می‌شود.

استفاده از مواد ابر رسانایی در ساخت اتصالات داخلی

هر چه قطعات موجود در یک مدار مجتمع به یکدیگر نزدیکتر باشند، زمان لازم برای انتقال علامتهای الکتریکی از یک قطعه به قطعه ای دیگر کمتر می‌شود که این سبب عمل سریعتر اجزای مدار می‌گردد. به هر حال اگر چه مدارهای مجتمع کنونی دارای زمان عمل بسیار کوتاهی هستند اما این خود مشکل دیگری را پیش می‌آورد. در حال زمان عمل بسیاری کوتاهی هستند اما این خود مشکل دیگری را پیش می‌آورد. در حال حاضر اجزای مدارهای مجتمع توانایی عملکرد سریعتری، نسبت به اتصالاتی ک عبور علامتهای الکترونیکی را در مدار امکان پذیر می‌سازند، دارند.
ابر رسانا ممکن است به صورت ماده ای ایده آل در ساخت اتصالات داخلی به کار روند. از آن جا که ابر رساناها می‌توانند الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی عبور دهند، به میزان قابل ملاحظه ای سبب کاهش اتلاف انرژی به صورت حرارت در مدارهای مجتمع و ترانزیستورها می‌شوند. مواد ابر رسانا ممکن است مزیتهای دیگری هم داشته باشند. به عنوان مثال حذف مشکلات مربوط به تداخل میدان مغناطیسی در مدارهای مجتمع از آن جمله است، زیرا این مواد میدانهای مغناطیسی خارجی را طرد می‌کنند با استفاده از اتصالات داخلی ابر رسانایی اجزای یک مدار می‌توانند نزدکتر به یکدیگر بسته شوند و در نتیجه می‌توان قطعات الکترونیکی بیشتری را در یک مدار مجتمع منفرد گنجاند.

پیشرفتهای اخیر در ساخت ابر رساناهای با دمای گذار بالا، سبب شده است که مدارهای مجمتمع ابررسانایی مورد توجه قرار گیرند. با کاهش میزان سرمای لازم، ساخت چنین مدارهایی عملی آسانتر خواهد بود. سرد کردن ابر رسانایی سنتی مورد استفاده در مدارهای مجتمع تا دماهای نزدیک صفر مطلق غالبا اثر نامطلوبی بر عملکرد این مواد دارد.
مشکل عمده ای که بر سر راه استفاده از ابر رساناهای جدید با دمای گذار بالا، وجود دارد. پایین بودن چگالی جریان الکتریکی در آنهاست. در مدارهای مجتمع، نیاز به جریانهایی با چگالی ۱۰۰۰۰۰ آمپر بر سانتی متر مربع تا ۱۰۰۰۰۰۰ آمپر بر سانتی متر مربع داریم. در حال حاضر، مواد ابر رسانایی با دمای گذار بالایی که بتوانند چنین گسترده ای از چگالی را دارا باشند، در اختیار نداریم.
استفاده از ابر رسانا در مدارهای IC مزیتهای بسیاری دارد. با توجه به عدم اتلاف انرژی الکتریکی به شکل گرما و طرد میدانهای مغناطیسی خارجی و جلوگیری از تداخل چنین میدانهایی، می‌توان مدارهایی به صورت تنگ پکیده ساخت، که عملکرد سریعتر قطعات را در پی دارد. مزیت دیگر به کارگیری این مواد آن است که می‌توان وسایل الکترونیکی با اندازه های به مراتب کوچکتر را تولید کرد.

چگالی جریان الکتریکی

پژوهشگران در مرکز تحقیقات IBM به موفقیتهای قابل توجهی در ارتباط با افزایش چگالی جریان در مواد ابر رسانا با دمای گذار بالا دست یافته اند. برای دست یابی
به چنین چگالی بالایی پژوهشگران اولین بلورهای لایه نازک   از این مواد را تهیه کرده اند. شکل (۴-۳ ). قطعات لایه نازک همان طور که از اسمشان پیداست لایه های بسیار نازکی از موادند که به روشهای مختلف بر روی پایه ای مناسب که معمولا بستر نامیده می‌شود، نشانده می‌شوند. چنین ساختارهای لایه نازک غالبا به صورت قطعات الکترونیکی تهیه و مورد استفاده قرار می‌گیرند. بر روی بسترهای مناسبی که برای تهیه چنین لایه هایی انتخاب می‌شوند، یک فرآیند عملیات حرارتی مناسب به منظور ایجاد فاز ابر رسانایی انجام می‌گیرد. بلورهای لایه نازک مرکز تحقیقات IBM تنها یک میکرون ضخامت دارند (در حدود   ضخامت تار موی انسان). چگالی جریانی که در دمای k77 اندازه گیری شده متجاوز از ۱۰۰۰۰۰ آمپر بر سانتی متر مربع بود. نظر به این که در چنین مواد جدیدی امکان شارش جریان بالاتر وجود دارد، می‌توان گفت که پژوهشگران مرکز IBM گام مهمی در ارتباط با کاربردهای این مواد جدید در ساخت قطعات الکترونیک ، مدارها و اتصالات مربوط به مدارهای مجتمع برداشته اند.

پیوندهای جوزفسون

پیوندهای جوزفسون در سال ۱۹۶۲ توسط یک پژوهشگر انگلیسی به نام برایان جوزفسون   تهیه شد یک پیوند جوزفسون از دو لایه ابر رسانا که توسط یک لایه نازک عایق از هم جدا شده اند، تشکیل شده است. الکترونها توانایی عبور از سد عایق را داشته و در نتیجه یک ابر جریان ایجاد می‌شود. پیوندهای جوزفسون می‌توانند به عنوان کلیدهای قطع و وصل الکترونیکی که بر اساس تغییر در مقدار جریان کار می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
اگر جریان به مقداری بیش را یک مقدار آستانه افزایش پیدا کند، ولتاژ دو سر پیوند سریعا از صفر به مقداری معین تغییر پیدا می‌کند. اتلاف انرژی در یک پیوند جوزفسون در حدود ۱۰۰۰/۱ اندازه مربوط به ترانزیستور های معمولی است. علاوه بر این، سرعت
عمل کلید زنی در آنها بسیار بیشتر از ترانزیستورهاست که این مقدار کمتر از ۲ پیکو ثانیه می‌باشد (یک پیکو ثانیه یک بیلونییم ثانیه است). با توجه به قابلیتهای بالای چنین قطعاتی از آنها می‌توان در ساخت وسایل الکترونیکی با سرعتهای بالا نظیر رایانه و سیستمهای مخابراتی استفاده کرد.
شرکتها و موسسات پژوهشی متعددی در ارتباط با ساخت و فناوری پیوند جوزفسون سرمایه گذاری کرده اند. به عنوان مثال مرکز تحقیقات آی. بی. ام بیش از ۳۰۰ میلیون دلار برای کاربرد چنین قطعه ای در رایانه های سریع هزینه نموده است اگر چه، این مرکز در سال ۱۹۸۳ به علت کندی کار پروژه متوقف نمود ولی به هر حال چندین شرکت ژاپنی در ارتباط با پیوند جوزفسون مشغول پژوهش هستند.

شرکت هایپرز

هایپرز نام شرکتی است که مدت کوتاه پس از آن شرکت آی. بی. ام، کار بر روی پروژه پیوند جوزفسون را متوقف کرد، توسط دکتر صادق فریس  که پژوهشگر سابق ابر رسانایی این مرکز بود، تاسیس شد. او عقیده داشت ه چون هدف مرکز تحقیقات IBM بر این بوده است که یک سیستم رایانه ای ابر رسانای کامل شده را در زمانی کوتاه بسازد، در این امر موفق نبوده است.

اولین تولید تجاری شرکت هایپرز، قطعه ۱۰۰۰- PSP بود ه موفقیتی بزرگ به حساب می‌آید  1000-PSP نوعی پردازشگر علامتهای الکترونیکی است، به عبارت دیگر یک نوسان نمای  بسیار پیشرفته (وسیله ای برای نمایش تغییرات بسیار سریع لحظه ای مربوط به کمیتهای الکتریکی) می‌باشد. این وسیله توانایی عمل در گستره پیکو ثانیه را دارد و می‌تواند علامتهای الکتریکی را در حد پنچ برابر بیشتر از قطعات مشابه دیگر دریافت کند. PSP  حروف اول کلمات (Picosecond Signal Processor) است. به سبب استفاده از ابر رساناهای الکترونیک در این پردازشگر تواناییهای آن
می تواند در حد بسیار بالایی باشد. برای ساخت چنین وسیله ای شرکت هایپرز مجبور شد چندین قطعه ابر رسانای جدید را تولید کند. به عنوان مثال یک مدار IC ویژه ساخته شد که بخشی از آن در دمای k 2/4 (برای دست یابی به حالت ابررسانایی) و بقیه قسمتهای مدار در دمای اتاق نگهداری می‌شوند. سیستمی سرد کننده، هلیم مایع را به بخشی از مدار، که لازم بود تا دمای بسیار پایین سرد شود، می‌پاشید. با این کار بسیاری از مشکلات مربوط به فرآیند سرد کردن، که با روشهای دیگری (از قبیل قرار دادن مدار در داخل ظرف هلیم مایع) انجام می‌شود، حذف می‌گردد. از ویژگیهای این روش آن است که تنها سطح مورد نظر سرد می‌شود و بقیه قسمتهای در دمای عادی باقی می‌مانند. مخزن هلیم مایعی که در این وسیله مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌تواند ۱۲ ساعت پیاپی عمل سرد کردن را انجام دهد.
پیوند جوزفسون این وسیله از آلیاژ نیوبیوم که بر روی بستری از سیلیکون قرار دارد، تهیه شده و به گونه ای طراحی شده است که مانع تغییرات دما می‌شود. پردازشگر ۱۰۰۰-PSP یک وسیله رقمی حمل و نقل است و در آن از صفحه نمایش رنگی ۱۳ اینچی استفاده شده است.

 

فصل پنجم
کاربردهای ابر رسانایی در علوم و پزشکی
 
در حال حاضر کاربردهای ابر رسانایی عمدتا در زمینه های علوم و پزشکی است از نظر تاریخی، علوم پایه اولین استفاده کننده فناوری ابر رسانایی بوده است. قطعاتی که تاکنون ساخته شده‌اند به طور چشمگیری در ارتقای سطح دانش و مفاهیم علمی موثر بوده‌اند و چنین به نظر می‌رسد که با تهیه قطعات جدید و پیشرفته تر این افق علمی بازتر و روش تر خواهد شد.
همین اواخر، ابر رسانایی پدیده ای فراموش شده بوده است که تنها در برخی آزمایشگاهها و تاحدی در برنامه های پژوهشی روی آن کار می‌شد. با وجود این، در دو دهه گذشته این پدیده تا حدودی در ارتباط با صنعت و تجارت مورد توجه قرار گرفت و به ویژه توانسته است کارایی خود را در زمینه پزشکی و بهداشت نشان دهد. در این فصل بسیاری از کاربردهای ابررسانایی در علوم و پزشکی مورد بررسی قرار می‌گیرد.
در حوزه علوم، ابر رسانایی در زمینه های پژوهشهای نظری و کاربردی و نیز در تهیه وسایل و ابزار آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربردهای ابررسانایی تنها به یک زمینه محدود نمی شود، بلکه وسایلی که بر اساس فناوری ابر رسانایی کار می‌کنند، در شاخه های مختلف علمی و صنعتی به کار گرفته می‌شوند. این پدیده به جهان پزشکی هم راه یافته است، به طوری که با استفاده از فناوری ابر رسانایی دانشمندان به روشهای تازه تر و مطمئن تری در ارتباط با تشخیص و معالجه بیماران دست یافته اند.
علوم

در بخشهای بعدی خواهیم دید که زمینه کاربردهای ابررسانایی در علوم بسیار وسیع است. گستره این کاربردها از دستگاههایی که توانایی کاوش در مورد چگونگی آغاز جهان دراند تا قطعاتی که منشا انرژیشان خورشید است را در بر می‌گیرد.

فیزیک انرژیهای بالا

فیزیک انرژیهای بالا که فیزیک ذرات نیز نامیده می‌شود یکی از بنیادی ترین شاخه های علوم است. علم فیزیکی ذرات مربوط به فهم طبیعت ذرات بنیادی است. ذرات بنیادی از قبیل الکترونها، پروتونها و نوترونها، اصلی ترین اجزای هر ماده هستند. دانشمندان علاقه مندند تا به دانشی دست یابند که با شناخت نیروهای کنترل کننده این ذرات بتوانند برهم کنش بین ماده و انرژی و تبدیل این دو به یکدیگر را باز شناسند.
اطلاعات به دست آمده، توسط فیزیک با انرژیهای بالا، در فهم چگونگی آغاز جهان بسیار مفید است. نظریه پردازان معتقدند که در لحظات اولیه انفجار بزرگ  تنها ذرات بنیادی وجود داشته اند. نظریه علمی انفجار بزرگ به این صورت بیان می‌شود که در ابتدا جهان از یک نقطه سه بعدی آغاز شده و با انفجار آن سریعا شروع به انبساط نمود و جهانی که ما از آن شناخت داریم. و هنوز در حال انبساط است، پدیدار شد. در آن لحظات آغازین هیچ اتم، هسته یا پروتونی موجود نبود،  زیرا  هنوز شکل نگرفته بودند و تنها ذرات بنیادی وجود داشتند که توسط نیروهای بنیادین با یکدیگر بر هم کنش می‌کردند. دانشمندان امیدوارند آگاهی بیشتری از این ذرات و نیروهای بنیادینی که آنها را کنترل می‌کنند، به دست آورند.
فیزیکدانان از وسایل پیچیده  و حجیمی برای بررسی این ذرات استفاده می‌کنند که در آنها، به  منظور کنترل و محدود کردن حرکت ذرات، آهن رباهایی با قدرت بالا به کار گرفته شده است. وسیله اولیه ای که برای مطالعه رفتار ذرات بنیادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، شتاب دهنده ذرات  نام دارد. از این دستگاه برای شتاب دادن ذرات باردار (الکترونها و پروتونها) به منظور رسیدن به سرعتهای بالا، با به کارگیری میدانهای مغناطیسی، استفاده می‌شود. اغلب شتاب دهنده ها دایره ای شکلند و از تعداد زیادی حلقه های الکترومغناطیسی چنبره ای تشکیل شده اند. نیروی حاصل از میدان که به طور همزمان بر ذرات اثر می‌کند آنها را شتاب دار می‌نماید، به طوری که در زمان بسیار کوتاهی سرعتهای نزدیک به سرعت نور را کسب می‌کنند. اغلب شتاب دهنده ها به گونه ای طراحی شده‌اند که ذرات شتاب دار در برخورد با ذرات یا مواد دیگری خرد می‌شوند. برهم کنش حاصل از این فرآیند دقیقا بررسی و مطالعه می‌شود تا مشخص گردد چرا و چگونه ذرات با سرعتهای بسیار بالا ممکن است به ذرات دیگر تبدیل شوند. شتاب دهنده هایی که برای این منظور طراحی می‌شوند تصادم کننده نام دارند.  در حال حاضر فیزیکدانان بر این عقیده‌اند که ماده، متشکل از دو ذره اساسی به نامهای کوارک و لپتون  است.
آهن رباهای ابر رسانایی در شتاب دهنده های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا بهترین، روش برای تولید میدانهای مغناطیسی قوی مورد نیاز است. در حال حاضر، یک شتاب دهنده بزرگ در ایالات متحده ساخته شده است. و یکی دیگر در کشور آلمان در دست احداث است. شتاب دهنده اول که تواترن  نام دارد، در آزمایشگاه ملی فرمی در ایالت ایلینویز  واقع است. تواترن که در سال ۱۹۸۳ کامل شد، دارای حلقه ای با محیط ۴ مایل است که ۱۰۰۰ آهن ربای ابر رسانایی را شامل می‌شود ( شکل ۵-۱) .
سیمهای ابر رسانایی که در ساخت آهن رباهای مغناطیسی به کار رفته‌اند از آلیاژ ویژه ای از عناصر نیوبیوم و تیتانیوم تهیه شده‌اند که نیازمند به سیستم سرد کننده هلیم مایع است (شکل ۵-۲). ابتدا سیمها به شکل سیم لوله های با قطر ۴/۱ اینچ پیچیده شده و سپس به شکل حلقه در آمده اند. اگر چه ساخت تواترن خود یک موفقیت بزرگ به حساب می‌آید، اما با وجود این دانشمندان علاقه مند به ساخت شتاب دهنده ای با قدرت بالاتر هستند.
ساخت چنین ابر شتاب دهنده ای که (ابر تصادم کننده ابر رسانایی)  (SSC) نامیده می‌شود، مورد تایید دولت امریکا قرار گرفته است. علی رغم مخالفتهایی ک از طرف برخی از پژوهشگران در ارتباط با هزینه بالای ۴/۴ میلیارد دلاری پروژه SSC وجود داشت، دولت وقت در ژانویه ۱۹۸۷ مجوز احداث آن را صادر کرد.
قدرت شتاب دهنده SSC20 برابر بیشتر از تواترن است. محیط دایره ای حلقه آن ۵۳ مایل خواهد بود. بسیاری از پژوهشگران تمایل دارند که طرح نهایی برای ساخت SSC را به تاخیر اندازند، زیرا امیدوارند که آهن ربای مغناطیسی جدید که از ابر رساناهای با دمای گذار بالا تهیه می‌شود، بتواند جایگزین آهن ربای مغناطیسی ساخته شده از ابر رساناهای سنتی با دمای پایین، شبیه آنهایی که در تواترن مورداستفاده قرار گرفته اند شود. در ۵-۳ نخستین نمونه ها از آهن ربا مغناطیسی طراحی شده برای SSC نشان داده شده‌اند. در صورت استفاده از ابررساناهای با دمای گذار بالا، می‌توان دهها میلیون دلار در سال در ارتباط با هزینه سیستم سرد کننده صرفه جویی کرد.
چنانچه فناوری جاری مورد استفاده قرار گیرد، انتظار می‌رود که ساخت این شتاب دهنده تا اواخر دهه ۱۹۹۰ تکمیل شود و اگر قرار باشد از ابررساناهای جدید با دمای گذار بالا استفاده شود، احتمال دارد که تاریخ تکمیل این پروژه تا قرن بیست و یکم به تاخیر بیفتد.

شتاب دهنده هایی که در حال مورد استفاده قرار می‌گیرند، اطلاعات زیادی در مورد فیزیک ذرات به ما داده‌اند و ابر رسانایی امکان ساخت شتاب دهنده های بزرگ قدرتمندی چون تواترن را فراهم کرده است. بدیهی است با کامل شدن ساخت SSC دست یابی به اطلاعات بسیار بیشتری ممکن خواهد شد.

پرتاب کننده های ابر رسانایی

کاربرد علمی بالقوه دیگری از ابررسانای ساخت وسیله ای برای پرتاب مواد به فواصل دور است که تا اندازه ای شبیه به شتاب دهنده های ذره ای عمل می‌کنند. این پرتاب کننده ها برای ایجاد شتاب و افزایش سرعت اجسام مورد استفاده قرار می‌گیرند. این وسایل می‌تواند اشیا را به فاصله های خیلی دور، مثلا از سطح زمین به فضا، پرتاب کنند.
محموله در داخل یک ظرف مغناطیسی که انتهای آن باز و بسیار شبیه یک سطل است، قرار می‌گیرد. ظرف به سرعت در یک جهت خاص با استفاده از حلقه های الکترومغناطیسی ابر رسانایی شتاب می‌گیرد. برای پرتاب محموله، ظرف به طور ناگهانی متوقف می‌شود، اما محموله داخل آن با سرعت خیلی بالا از انتها باز ظرف به طرف مقصد به حرکتش ادامه می‌دهد.
 نمونه های اولیه ای از این وسیله ساخته شده‌اند و اجسام کوچکی توسط آن شتاب گرفته و توانسته‌اند با به دست آوردن سرعتهای به قدر کافی بزرگ از میدان گرانشی زمین فرار کنند. همچنین این پرتاب کننده ها می‌توانند به صورت یک سلاح جنگی که قادر به پرتاب پرتابهایی با سرعتهای بالا هستند، به کار گرفته شوند. پیش بینی می‌شود که در آینده امکان پرتاب محموله ها از داخل یک ماهواره به ایستگاه فضایی که در مدار زمین قرار دارد، فراهم شود.

همجوشی هسته ای (فوزیون) 

چون ذخایر سوخت فسیلی در آینده ای قابل پیش بینی تمام می‌شوند، مجبوریم که شکلهای دیگری از انرژی را جایگزین آن کنیم. دانشمندان و پژوهشگران همجوشی هسته ای را به عنوان یک منبع انرژی جایگزین مورد توجه قرار می‌دهند و ابر رسانایی نقش مهمی در فراهم کردن زمینه استفاده از این انرژی را به عهده خواهد داشت.
همجوشی هسته ای هنگامی رخ می‌دهد که اتمهای سبک به یکدیگر جوش خورده و یا به عبارت دیگر به هم پیوند می‌خورند که در نتیجه اتم سنگین تری شکل می‌گیرد. در این فرآیند انرژی آزاد می‌شود. واکنشهای همجوشی غالبا واکنشهای گرما- هسته ای  نامیده می‌شوند، زیرا فقط در دمای حدود صد میلیون درجه سلسیوس می‌توانند رخ دهند. انرژی فقط در دمای حدود صد میلیون درجه سلسیوس می‌توانند رخ دهند. انرژی حاصل از خورشید نتیجه ای از یک همچوشی هسته ای است. اتمهای هیدروژن سبک به یکدیگر جوش می‌خورند و اتم هلیم را تشکیل می‌دهند که همراه با این فرآیند انرژی زیادی آزاد می‌شود. علت آزاد شدن انرژی در چنین واکنشی آن است که، جرم اتمهای حاصل از واکنش (اتمهای سنگین تر) کمتر از مجموع جرم اتمهای اولیه (اتمهای سبکتر) است. همین میزان کاهش جرم است که به انرژی تبدیل می‌شود. (شکل ۵-۴) فرآیندهای مربوط به یک واکنش همجوشی را نشان می‌دهد. واکنش همجوشی فقط در محیط پلاسمایی، که شکلی از ماده است، اتفاق می‌افتد. پلاسما در یک گاز، از الکترونهای آزاد و هسته های آزاد تشکیل شده است. معمولا هسته ها به علت داشتن بار الکتریکی همنام یکدیگر را دفع می‌کنند، اما چنانچه پلاسما تا دماهای حدود صد میلیون درجه سلسیوس گرم شود، هسته ها سریعا حرکت کرده و سد الکتریکی موجود بین خود را می‌شکنند و در نتیجه به هم جوش می‌خورند.
غالبا در آزمایشهای مربوط به همجوشی، دانشمندان از پلاسماهایی که از یک یا دو ایزوتوپ  (اتمهای مربوط به یک عنصر که دارای جرمهای متفاوتی هستند) هیدروژن تشکیل شده‌اند استفاده می‌کنند. یکی از این ایزوتوپها تریتیوم  رادیو اکتیو و ساخته دست بشر و دیگری دتریوم  یا همان اتم هیدروژن سنگین است. دتریوم به عنوان یک سوخت همجوشی ایده آل مورد توجه می‌باشد زیرا می‌تواند از آب معمولی به دست آید.
دانشمندان تا کنون موفق به مهار یک واکنش همجوشی برای تولید انرژی نشده‌اند بمب هیدروژنی که دارای قدرت خارق العاده ای است، انرژی مربوط به انفجار خود را از یک واکنش همجوشی هسته ای دیگر کسب می‌کند. یک بمب هیدروژنی در حال انفجار خیلی شبیه به قطعه ای کوچک از خورشید عمل می‌کند.

کنترل و مهار یک واکنش همجوشی بسیار مشکل است، زیرا پلاسمای داغ شده تمایل به انبساط دارد. بنابراین باید به شکل ویژه ای نگهداری شود، چون به قدری داغ است که می‌تواند اغلب مواد اطراف خود را ذوب کند. و لذا لازم است دیواره ای ظرفی که در آن واکنش همجوشی رخ می‌دهد به روشی مناسب خنک شود. به علاوه برای نگهداری پلاسمهای داغ داخل دیواره اصطلاحا از یک بطری مغناطیس استفاده می‌شود میدان مغناطیسی به گونه ای طراحی می‌شود که پلاسما را به سمت مرکز می‌راند.
در حال حاضر دو نوع سیستم مربوط به همجوشی مغناطیسی وجود دارد: یکی از سیستم آیینه ای و دیگری چنبره ای. در بهترین طراحیهای نوع آیینه ای، افت پلاسما دیده می‌شود. موفق ترین نوع چنبره ای تاکامک   نام دارد. در شکل ۵-۵ و شکل ۵-۶ به ترتیب طرح واره ای از سیستمهای آیینه ای و چنبره ای نشان داده شده است. سیستم توکامک اولین بار توسط دانشمندان روسی ساخته شد.
روسیه اولین کشوری بود که یک وسیله همجوشی هسته ای را با استفاه از سیم پیچهای مغناطیسی ابر رسانایی به کار گرفت. این ماشین در موسسه کورجاتف  طراحی و ساخته شده و دارای ۴۸ سیم پیچ ابر رسانایی تهیه شده از آلیاژ نیوبیوم- تیتانیم می‌باشد. فرانسویها هم روی ساخت چنین ماشینهایی با سیم پیچهای ابر رسانایی کار می‌کنند .

نوعی از این دستگاه که تورسوپرا نامیده شده، دارای ۱۸ سیم پیچ ابررسانایی است.
سیم پیچهای مورد استفاده در ماشینهای توکامک در آزمایشگاه ملی اکریج  در ایالات متحده تهیه می‌شود. همچنین امکانات و وسایل لازم برای بررسی سیم پیچهای خیلی بزرگ در این آزمایشگاه ساخته می‌شوند. چنین دستگاههایی دارای شش سیم پیچ ابر رسانایی‌اند که سه تای آن در ایالات متحده و سه تای دیگر در دیگر کشورها ساخته شده اند. شکل ۵-۷ تجهیزات و وسایل به کار گرفته شده برای ساخت و بررسی چنین سیستمهایی را نشان می‌دهد. چنین امکاناتی در آزمایشگاه ملی لوزنس لیورمر  نیز موجود است.
وسایل و تجهیزات دیگری نیز به منظور آزمایش واکنش همجوشی در سایل آزمایشگاهها وجود دارند ولی در این وسایل از آهن رباهای ابر رسانایی استفاده نشده است. استفاده از آهن رباهای مغناطیسی ابررسانایی در ساخت سیستمهای انرژی همجوشی تجاری بسیار محتمل به نظر می‌رسد، زیرا چنانچه از آهن رباهای الکتریکی سنتی استفاده شود بخش عمده ای از انرژی تولید شده می‌بایست صرف راه اندازی خود آنها گردد.

جدا کننده های مغناطیسی

کاربردهای ابر رسانایی در زمینه های علمی، که قبلا به آنها اشاره شد، طبیعتا از نوع آزمایشگاهی هستند. در این بخش به معرفی یک وسیله آزمایشگاهی که مدتهاست عملا مورد استفاده قرار می‌گیرد، و جدا کننده  مغناطیسی نام دارد، می‌پردازیم. این دستگاه برای جداسازی مواد معدنی یا سایر موادی که بر اساس تفاوت در چگالی و خاصیتهای مغناطیسی از هم متمایز هستند، به کار می‌رود. موادی که قرار است از هم جدا شوند استوانه ای شکل که در حال چرخش است می‌ریزد. این استوانه توسط یک سیم پیچ الکترومغناطیسی ابر رسانایی قوی احاطه شده است. میدان مغناطیسی، ماده مغناطیسی را به سمت بیرون می‌کشد ه این سبب حرکت ذرات با چگالی بیشتر به سمت لبه های استوانه می‌شود و در نتیجه ذرات با چگالی کمتر در قسمت مرکزی باقی می‌مانند. در انتهای ظرف وسیله ای کار گذاشته شده که ذرات نزدیک به لبه استوانه ای را به داخل ظرفی دیگر هدایت می‌کند. ذرات موجود در مرکز استوانه نیز به داخل ظرف دیگری می‌ریزند. شکل ۵-۸ طرحی از یک جدا کننده مغناطیسی را نشان می‌دهد.
این فرآیند می‌تواند تکرار شود تا جداسازی مواد به طور کامل انجام گیرد.

اسکوئید

اسکوئید حروف اول کلمات (Superconducting Quantum Interference Device) به معنی وسیله تداخل کوانتومی ابر رسانایی است. اسکوئید از دو پیوند جوزفسون که در حلقه ای ابر رسانا، به یکدیگر متصل شده اند. تشکیل شده است. همان طور که می‌دانیم، پیوند جوزفسون از یک لایه نازک عایق که بین دو لایه ابر رسانا قرار گرفته، تشکیل شده ست، الکترونها طی یک فرآیند تونل زنی کوانتومی از سد مربوط به لایه عایق عبور می‌کنند. هنگامی که این وسیله در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، ولتاژ
مربوط به جریان الکتریکی جاری در آن متناسب با شدت میدان مغناطیسی تغییر می‌کند، به عبارت دیگر همانند یک مبدل تغییرات شار مغناطیسی را به تغییرات ولتاژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اسکوئید حساس ترین وسیله برای اندازه گیری میدانهای مغناطیسی است و به این سبب اغلب آن را مغناطیس سنج   می‌نامند.
اسکوئید در زمینه های مختلف علمی و صنعتی کاربردی گسترده دارد. یک کاربرد آن در ارتباط با کشف معادن و مواد معندنی است که با اندازه گیری ویژگیهای مربوط به بازتاب امواج الکترومغناطیسی که پس از برخورد به ناحیه مورد نظر بر می‌گردند، انجام می‌شود. کره زمین به طور مداوم توسط امواج الکترومغناطیسی که  منشا آنها واکنشها موجود در خورشید است، بمباران می‌شود. با بررسی ویژگیهای امواج بازتابشی، تحقیقاتی در مورد خواص مواد واقع در زیر سطح زمین صورت گرفته است. اندازه گیریهای انجام شده توسط اسکوئیدها می‌توانند اطلاعاتی را در موادی که تا عمق ۶ مایل زیر زمین قرار دارند، مانند ذخایر نفت، به ما بدهند. علامتهای بازتابش شده بسیار ضعیف هستند و تنها اسکوئید توانایی آشکار ساز آنها را دارد.
چون اسکوئیدها قادرند میدانهای مغناطیسی بسیار ضعیف را آشکار کنند، لذا غالبا از آنها برای آشکار سازی علامتهای الکترومغناطیسی موجود در مغز انسان استفاده می‌کنند. اسکوئیدها را می‌توان برای ثبت کاردیوگرافی مغناطیسی که بر اساس میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان الکتریکی در قلب کار می‌کند، به کار گرفت. به علت حساسیت زیاد اسکوئیدها برای کار با آنها باید از اتاقهای ویژه ای که از تداخل امواج الکترومغناطیسی محیط بیرون محافظ شده باشند استفاده نمود.
اخیرا مرکز تحقیقات آی. بی . ام، اسکوئید جدیدی از ماده ابررسانای با دمای گذار بالا ساخته است در اسکوئید هایی که در آنها از ابر رساناهای سنتی استفاده شده، به وسایل و تجهیزات خنک کننده نسبتا پیچیده ای برای رسیدن به دمای نزدیک صفر مطلق نیاز است. اسکوئید ساخته شده توسط مرکز تحقیقات آی. بی. ام .از دو پیوند جوزفسون لایه نازک تشکیل شده که ضخامت هر کدام تنها   ضخامت موی انسان می‌باشد. در چنین اسکوئیدهایی عمل سرد کنندگی و رسیدن به دمای کافی پایین توسط ازت مایع انجام می‌شود.

کاربردهای دیگر ابر رسانایی در پزشکی

قبلا گفته شد که یکی از کاربردهای علمی ابر رسانایی استفاده از اسکوئید است که کاربرد پزشکی نیز دارد. در این بخش کاربردهای دیگر ابر رسانایی را در پزشکی مرور می‌کنیم.

MRI

MRI حروف اول کلمات Magnetic Resonance Imaging به معنی تصویر برداری به کمک تشدید مغناطیسی است. MRI اصطلاحاتی برای یک سیستم علمی است که به عنوان طیف سنجی توسط تشدید مغناطیسی هسته ای  شناخته می‌شود. به طور ساده می‌توان گفت که MRI روشی برای مشاهده بخشهای داخل بدن انسان از طریق روشهای غیر تهاجمی است.
MRI از خیلی جهات شبیه روش عکس برداری CAT است. CAT حروف اول کلمات Computerized Axial Tomography به معنی توموگرافی محور رایانه ای است. در این روش ابتدا داده های مربوط به تابش پرتوهای ایکس در جهتهای مختلف ثبت می‌شود. سپس این داده ها به شکل ریاضی بازسازی شده و نهایتا مقاطع عرضی تشریحی از بدن را به دست می‌دهد. اشکالی که به این روش گرفته می‌شود آن است که بدن حساس نیست. اما حساسیت MRI به بافت نرم بدن بسیار بیشتر است. و نیز بیمار در معرض تابش پرتو ایکس قرار نمی گیرد.

در عکس برداری به روش MRI بدن انسان را در معرض یک میدان مغناطیسی قوی که توسط یک سیم پیچ الکترومغناطیسی ابر رسانایی تولید می‌شود قرار می‌دهند. در چنین وضعیتی پرتوهای موجود در آب و سایر ملکولهای بدن خود را با میدان مغناطیسی هم جهت می‌سازند. در این حالت یک علامت رادیویی (موج الکترومغناطیس) با بسامدی برابر با بسامد تشدید ذرات به بدن تابانده می‌شود که این کار سبب برانگیختگی پروتوها می‌گردد. پس از واپاشی این موج پروتونها به وضعیت اولیه خود برگشته و در این فرآیند مقداری انرژی آزاد می‌شود. این انرژی ثبت و برای ایجاد تصویر مورد استفاده قرار می‌گیرد. با تغییر میدان مغناطیسی می‌توان تصاویر مختلفی از مقاطع آناتومی بدن تهیه نمود. استفاده از این روش سریعا گسترش یافته و امروزه صدها دستگاه MRI در سرتاسر جهان مشغول به کارند.
پژوهشگران موسسه جنرال الکتریک نشان داده‌اند که از MRI می‌توان برای اندازه گیری شارش خون در شبکه شریانی و وریدی سرو گردن استفاده کرد. امروزه این روش منحصر به فرد در درمانگاههای پزشکی کاربرد دارد و از مرحله آزمایشگاهی فراتر رفته است، به طوری که تشخیص و درمان سکته و سایر بیماریهای عروقی مغزی را امکان پذیر ساخته است. این روش تشخیص که به عنوان آنژیوگرافی تصویری شناخته شده است از این خاصیت بهره می‌گیرد که هر اندازه خون سریعتر در داخل عروق جریان داشته باشد تصویر رگها در دستگاه MRI روشنتر ظاهر می‌گردد این اولین روش غیر تهاجمی برای آنژیوگرافی مستقیم جریان خون در طول ورید و شریان است.
در صورتی که تصویر یک رگ به اندازه ای که باید روش نیفتد، نشانه آن خواهد بود که جریان خون کندتر از حد معمول است. این موضوع می‌تواند نشانه تصلب شرایین بوده که در آن مسیر عبور خون تنگ می‌شود. با تشخیص سریع و درمان چنین وضعیتی می‌توان از فوت مریض جلوگیری و زیانهای وارده بر بافتهای شخص آسیب دیده را محدود کرد. این روش به پزشکان این اجازه را می‌دهد که محل انسداد یا خون ریزی
شریان را در قربانیان سکته مشخص نمایند و بخشهایی از عروق را که دارای جریان گردایی است شناسایی کنند. مزیت دیگر این روش آن است که بدون نیاز به حرکت کردن بیمار می‌توان سیستم جریان خون او را از زوایای مختلف بررسی نمود.
 این روش تصویر نگاری جدید برای اولین بار توسط دکتر چارلز. ال. دوملین  و دکتر هوارد. آر. هانت که اولی شمیدان و دومی فیزیکدان و در موسسه پژوهشی جنرال الکتریک کار می‌کنند، ارائه شده و هنوز جنبه تجاری پیدا نکرده است.
روشی که در حال حاضر بیشتر برای بررسی اختلالات سیستم گردش خون مورد استفاده قرار می‌گیرد آنژیو گرافی تفریقی   نام دارد که در آن پرتو ایکس به کار گرفته می‌شود. در این روش ماده حاجب به داخل خون بیمار تزریق می‌شود تا پرتو ایکس بتواند عروق خونی را پرتو نگاری کرده و مجراهای تنگ شده به صورت نقاطی مشخص می‌گردد. علاوه بر آن که آنژیوگرافی تفریقی برای بیمار روش ناراحت کننده است، می‌توان مشکلات جنبی دیگری را نیز برای او در پی داشته باشد. در روش MRI طراحی شده توسط شرکت جنرال الکتریک بیمار در داخل محفظه ای مربوط به یک آهن ربای مغناطیسی ابر رسانا قرار می‌گیرد. آهن ربای ابر رسانای مورد استفاده در این دستگاه ۵۰ تن وزن دارد و می‌تواند میدانی به قدرت ۳۰۰۰۰ برابر میدان مغناطیسی زمین را تولید کند.
نوع دیگر MRI شرکت جنرال الکتریک که (طیف سنجی به کمک تشدید مغناطیسی تحلیل عمقی)  نامیده می‌شود به دکتر پائول. آ. باتوملی  فیزیکدان مرکز تحقیقات و توسعه جنرال الکتریک این اجازه را داد که برای اولین بار قلب انسان زنده را به طریق غیر تهاجمی مورد بررسی شیمیایی قرار دهد. در این روش مقادیر نسبی عناصر شیمیایی کلیدی و مهم در بافتهای بدن مورد مطالعه قرار می‌گیرند و نمودار مربوط به کمک یک رایانه، پردازش می‌شود.
MRI به عنوان یک روش تشخیص قوی برای بررسی بیماران قلبی به کار می‌رود. کسانی که دچار حمله قلبی شده‌اند می‌توانند با استفاده از این روش مورد معاینه قرار گیرند و میزان صدمه وارده بر قبل آنان اندازه گیری شود. باید توجه داشت که این روش با روش MRI که در آن به جای تصویر نگاری از تحلیل شیمیایی مواد استفاده می‌شود، تفاوت دارد. ضمنا جهت جلوگیری از تداخل علامتهای تشدیدی مربوط به قلب با بقیه بافتها، از یک آنتن ویژه که مستقیما بر روی قلب نصب می‌شود، استفاده می‌کنند. این روش در مورد سایر اندامها نیز به خوبی عمل می‌نماید. اطلاعات به دست آمده را می‌توان به صورتی طراحی کرد که میزان مواد مختلف شیمیایی موجود در اندامهای مختلف بدن را مشخص کند.
 انسان تنها موجود زنده ای نیست که می‌تواند از مزایای MRI استفاده نماید. دانشمندان شرکت جنرال الکتریکی و وزارت کشاوزی در ایالات متحده از این روش برای بررسی و شناخت اسرار مربوط به رشد گیاهان استفاده می‌کنند. با به کارگیری یک دستگاه MRI گروهی از دانشمندان ساختار و کار ریشه را در گیاهان زنده به منظور بهینه سازی شرایط رشد آنان مورد مطالعه قرار می‌دهند.

برای این منظور گونه های مختلفی از خاک از جمله خاک گلدانی تجاری با شن، پرلیت و خاک رس خرد شده و نیز انواع کودهای گیاهی مورد استفاده قرار گرفتند. اگر چه تصویرهای مطلوبی از این خاکها به دست آمده است اما به هر حال کیفیت عکس به ویژگیهای مغناطیسی خاک بستگی دارد. از آن جایی که MRI هیچ تاثیر منفی شناخته شده خاصی بر روی گیاهان ندارد، بنابراین می‌توان این عمل را بارها تکرار کرد تا نتیجه دلخواه به دست آید. این مطالب بیشتر به منظور بررسی ریشه گیاهان ادامه دارد تا بتوان آسیبهای احتمالی را که توسط ترکیبات شیمیایی و پاسخ به دی اکسید کربن در آنها به وجود می‌آید، بررسی و مشخص کرد.

فصل ششم
ابر رسانایی و ترابری
 
به نظر می‌رسد که در آینده ای نه چندان دور، ابر رساناها تحولی بزرگ در زمینه ترابری (حمل و نقل) به وجود آورند. در این فصل کاربردهای حال و آینده ابر رساناها را در این زمینه بررسی خواهیم کرد. استفاده از ابررسانا در ساخت ترنهای سریع از مدتها قبل شروع شده و موتورهای الکتریکی ابررسانایی نیز ممکن است در آینده به عنوان نیروی محرکه اصلی در خودروها و کشتیها مورد استفاده قرار گیرند.

ترنهای شناور مغناطیسی(Maglev Trains)

از سال ۱۸۰۰ میلادی تا کنون ترین به عنوان وسیله ترابری بسیار مهم به کار گرفته می‌شود. نیروی محرکه ترنهای اولیه از سوختن چوب  بعدا زغال سنگ تامین می‌شد. ترنهای امروزی عموما با موتورهای دیزلی کار می‌کنند و در عین حال تلاشهای بسیاری برای استفاده از روشهای پیشرفته تر برای به حرکت در آوردن آنها در حال انجام است. یک از روشها استفاده از میدانهای مغناطیسی قوی در ساخت ترنهای بسیار سریع است که Mahlev (ترنهای شناور مغناطیسی) نامیده می‌شود. از چنین ترنهایی می‌توان در زمینه ترابری با سرعتهای خیلی بالا استفاده کرد. ترنهای سنتی توسط چرخهایی که بر روی دو ریل موازی قرار دارند حرکت می‌کنند. اصطکاک موجود بین چرخها و ریل سبب کندی حرکت می‌شود و بنابراین سرعت حرکت این ترنها نسبتا کم است. البته با طراحی دقیق ریلها و به حداقل رساندن اصطکاک توانسته‌اند به سرعتهای تا ۲۰۰ مایل بر ساعت دست پیدا کنند. به عنوان مثال یک ترن ساخت فرانسه به نام TGV  می‌تواند با سرعتی معادل با ۲۳۰ مایل بر ساعت حرکت کند که سریعترین ترن سنتی در جهان است. ترن معروف شین کان سن  که به معنی گلوله است، مثال دیگری از ترنهای سریع است. سرعت این ترن در حدود ۱۵۰ مایل بر ساعت می‌باشد.
ترنهای Maglev، که بر روی بالشتکی مغناطیسی، در حدود ۴ اینچ بالاتر از ریل، حرکت می‌کنند سرعتی به مراتب بیشتر از ترنهای معمولی دارند. شناور بودن چنین ترنهایی در خلال حرکت و عدم تماس چرخها با ریل سبب می‌شود که مشکل اصطکاک وجود نداشته باشد. اساس کار ترنهای Maglev بر یک قانون مغناطیسی ساده استوار است: قطبهای همنام آهن ربا یکدیگر را دفع و قطبهای غیر همنام یکدیگر را جذب می‌کنند. سیستمی از آهن رباهای الکتریکی، که وضعیت آنها به نوع طراحی انجام شده بستگی دارد، در زیر واگنها و نیز روی ریل جاسازی شد ه اند. بعضی از این آهن رباها برای شناور و نگهداشتن ترن و برخی دیگر برای به حرکت در آوردن آن روی ریل مورد استفاده قرار می‌گیرد.
چنین ترنهایی در ژاپن و آلمان ساخته و آزمایش شده اند. در نوع ژاپنی آن آهن رباهای الکتریکی ابر رسانایی به کار گرفته شده اند. در سال ۱۹۷۹ استفاده از آهن رباهای الکتریکی ابر رسانایی در آلمان، به منظور رونق دادن بازار آهن رباهای الکتریکی سنتی، ممنوع شد. آهن رباهای الکتریکی ابر رسانایی ساخت ژاپن، در عین حال که مصرف انرژی الکتریکی در آنها بسیار پایین است، قادرند میدانهای مغناطیسی قوی تولید کنند. به هر حال اگر ژاپنیها در مصرف انرژی الکتریکی صرفه جویی می‌کنند، آلمانیها همین صرفه جویی را در حذف هزینه های مربوط به تجهیزات سرد کننده انجام می‌دهند.
در ترنهای Maglev ساخت ژاپن در کناره های هر واگن هشت آهن ربای الکتریکی ابررسانا کار گذاشته شده است.(شکل ۶-۱) وهزاران سیم پیچ فلزی در فضای بین دو ریل به شکل u جاسازی شده اند. در آغاز حرکت و هنگام توقف چرخها بر روی ریل قرار دارند. زمانی که ترن سرعت می‌گیرد، آهن رباهای الکتریکی در واگن جریان الکتریکی به داخل سمی پیچهای فلزی بین دو ریل القا می‌کنند که این سبب آهن ربا شدن آنها می‌شود. نیروی دافعه مغناطیسی بین این سیم پیچها و آهن رباهای الکتریکی در واگنها، ترن را بر روی ریلها شناور می‌سازد.
درو ردیف از آهن رباهای الکتریکی ( هر ردیف در یک طرف از ترن) درست در مقابل دیواره قسمت u شکل ریلهای تهیه شده اند، به طوری که قطبیت آنها به طور مداوم عوض می‌شود و این عمل سبب جذب و دفع آهن رباهای الکتریکی در ترن می‌گردد. این کشش و رانش مداوم باعث حرکت رو به جلو ترن می‌شود.
در ترنهای آلمانی کلا از آهن رباهای الکتریکی سنتی (بدون استفاده از مواد ابر رسانایی) استفاده شده است و طراحی آن نیز به جنبه های زیادی با نوع ژاپنی تفاوت دارد. واگنهای چنین ترنی همانند طرح ژاپنی به طرف بالا رانده نمی شوند. بلکه توسط نیروی جاذبه مغناطیسی از روی ریلها بلند می‌شوند. آهن رباهای الکتریکی به ته واگنها متصلند، به طوری که به کار می‌افتند، نیروی جاذبه آهن ربایی بین آنها و سیم پیچها جاسازی شده در قسمت T شکل ریلها ترن را از روی زمین بلند می‌کند. نیروی محرکه رانشی لازم برای به حرکت در آوردن ترن توسط آهن رباهای الکتریکی دیگر موجود در روی ریلها و نیز کف واگنها تامین می‌شود. شکل ۶-۲ طرحی از ترن شناور ساخت آلمان را نشان می‌دهد.
ترنهای شناور مغناطیسی می‌توانند جایگزینی برای ترابری هوایی بین مکانهای با فاصله چند صد مایل از هم باشند. سرعت ترنهای Maglev ساخت ژاپن متجاوز از ۳۰۰ مایل در ساعت است. ظاهرا ایالات متحده امریکا علاقه زیادی به ساخت چنین ترنهایی نشان نمی دهد، اما آلمان، کانادا و ژاپن برای تولید آنها سخت تلاش می‌کنند راه آهن ملی ژاپن در حال آزمایش تعدادی از این ترنهاست.

در حالیکه برای توسعه و بهینه سازی سیستمهای ترنهای شناور عوامل زیادی مورد بررسی و آزمایش قرار می‌گیرند، اخیرا با توجه به پیشرفت پدیده ای ابر رسانایی به ویژه در ارتباط با کشف مواد ابر رسانایی جدید، آینده فناوری ساخت چنین ترنهایی روشنتر به نظر می‌رسد. هزینه های مربوط به ابر رساناهای با دمای گذار پایین، برای تهیه آهن رباهای الکتریکی به منظور استفاده آنها در ترنهای شناور ژاپنی، در ارتباط با تجهیزات سرد کننده مورد نیاز نسبتا بالاست. مسلما نیاز به چنین وسایلی مشکلات و پیچیدگیها موجود در به کارگیری عملی سیستمهای Maglev ابر رسانایی کنونی را افزایش می‌دهد. بنابراین استفاده از ابر رساناهای جدید با دمای گذار بالا عملا سبب کاهش این مشکلات می‌گردد، زیرا تجهیزات و سیستمهای مربوطه با ازت مایع (به جای هلیم مایع) سرد خواهند شد.

کاربرد ابررسانایی در خودروها و کشتیهای الکتریکی

به کارگیری ابر رساناها در ساخت خودروهای الکتریکی نیز اخیرا مورد توجه قرار گرفته است. در طول دهه ۱۹۷۰ میلادی با کاهش عرضه بنزین پژوهشگران تلاش زیادی را برای تولید خودروهای الکتریکی آغاز کردند و نمونه هایی از این گونه خودروها ساخته شد که در آنها از باتریهای بزرگی برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده می‌شد. به هر حال نه تنها برد مسافت برای چنین خودروهایی کم است بلکه سرعت حرکت آنها نیز پایین می‌باشد. اگر امکان ساخت خودروهای الکتریکی با به کارگیری ابر رساناهای جدید فراهم شود (به شرطی که نیاز به سیستمهای خنک کننده حجیم و پرهزینه نباشد) می‌توان انتظار داشت که مجددا شاهد حرکت این چنین خودروهایی در سطح خیابانها و جاده ها باشیم. مزیت خودروهای الکتریکی ابر رسانایی در این است که اتلاف انرژی الکتریکی در آنها خیلی کم بوده و در نتیجه باتری ذخیره انرژی در آنها خیلی زود خالی نمی شود. بنابراین می‌توانند مسافتهای بیشتری را، بدون نیاز به پر کردن مجدد باتری، طی کنند و علاوه بر آن سرعت حرکت نیز بسیار بالاتر خواهد بود. حتی می‌توان با به کار گیری ابر رساناها، به جای باتریهای حجیم از باتریهای بسیار کوچکتری که در واقع ذخیره کننده انژی مغناطیسی ابررسانایی هستند استفاده کرد. چنین باتریهایی که SMES نام دارند قبلا در فصل سوم بررسی شد. در چنین سیستمی انرژی الکتریکی در یک حلقه ابر رسانایی ذخیره می‌شود. اخیرا شرکت خودروسازی فورد در ارتباط با ساخت خودروهایی که از چنین سیستمی استفاده می‌کنند تلاش وسیعی را آغاز کرده است. موتورهای الکتریکی ابررسانایی در شاخه های دیگر ترابری و حمل و نقل هم می‌توانند کاربرد داشته باشند. به عنوان مثال موتوری با نصف یا ثلث اندازه موتورهای معمولی ممکن است به زودی برای به حرکت در آوردن کشتیها در اقیانوسها به کار گرفته شود استفاده از چنین موتورهایی در زیر دریاییها نیز دور از انتظار نخواهد بود.
 
فصل هفتم
کاربرد ابر رسانایی در صنایع نظامی

 
در حالیکه بیشترین توجه به پدیده ابر رسانایی بر جنبه های فناوری و تجاری آن متمرکز است، تلاشهای بسیار چشمگیری در ارتباط با امکان به کارگیری ابررساناهای با دمای گذار بالا در ساخت وسایل نظامی نیز شروع شده است. بودجه های بالایی صرف سرمایه گذاری در کاربردهای نظامی این مواد شده است. به عنوان مثال در سال ۱۹۹۰ وزارت دفاع امریکا متجاوز از ۱۵۰ میلیون دلار در این راه هزینه کرده است.
عمده این بودجه در ارتباط با کاربردهای عملی ابر رساناهای با دمای گذار بالا مصرف شده است. در حال حاضر جنبه های مختلفی از کاربرد نظامی مواد ابر رسانایی درست مطالعه است که در این فصل به بررسی برخی از آنها می‌پردازیم. اغلب کاربردهای نظامی مفاهیم و اصول بیان شده در فصلهای قبلی را شامل می‌شود.

موتورهای ابر رسانایی

موتورهایی الکتریکی ابر رسانایی دارای توانایی بالقوه ای از دیدگاه کاربردهای نظامی هستند. آنها برای استفاده در کشتیها و زیر دریاییهای جنگلی ایده آل خواهند بود. طراحی نسبتا ساده آنها سبب حذف تعداد زیادی از قطعاتی که در موتورهای معمولی به کار گرفته شده است. می‌گردد. موتورهای ابر رسانایی که با استفاده از مواد با دمای گذار پایین (ابر رساناهای سنتی) ساخته شده اند، در کشتیهای کوچک مورد آزمایش قرار گرفته اند. امکان ساخت موتورهای بسیار قویتر با استفاده از ابررساناهای جدید به منظور استفاده در کشتیهای بزرگتر وجود دارد.
نیروهای دریایی به ویژه علاقه مند به استفاده از موتورهای ابر رسانایی در زیر دریاییها هستند. این زیر دریاییها می‌توانند با سرعت بیشتری حرکت کنند و علاوه بر این چنین موتورهایی در مقایسه با موتورهای معمولی فضای کمتری اشغال می‌کنند. در نتیجه امکان حمل و تجهیزات و سلاحهای بیشتری توسط آنها میسر می‌گردد. با توجه به این که موتورهای ابر رسانایی نسبت به موتورهای معمولی بسیار کم صدا هستند، بنابراین ردیابی و تعیین محل زیر دریایی به مراتب مشکل تر خواهد بود.

تفنگهای ریلی ابر رسانایی

تفنگهای ریلی بسیار شبیه پرتاب کننده های جرم هستند که در فصل پنجم به آن اشاره شد. این تفنگها همانند توپ برای شتاب دادن به پرتابه ها و رساندن آنها به سرعتهای خیلی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. با استفاده از این وسیله و انتخاب زاویه مناسب پرتاب می‌توان جسم را به سمت هدف پرتاب کرد.
طرز کار تفنگهای ریلی نسبتا ساده است. با استفاده از حلقه آهن ربای مغناطیسی ابررسانایی به جسم شتاب زیادی داده می‌شود. اگر پرتابه فلزی نباشد، آن را در یک محفظه مغناطیسی ته باز قرار می‌دهند. محفظه در امتداد مسیر با شتاب زیادی به حرکت در می‌آید و سپس ناگهان متوقف می‌شود. این کار سبب پرتاب جسم می‌گردد.
اخیرا برای استفاه از تفنگهای ریلی در تانک، به جای توپ، تلاشهایی به عمل آمده است. این وسیله می‌تواند در کشتیهای جنگی به منظور انهدام گلوله های ضد کشتی به کار گرفته شود.

تفنگهای لیزری

در ارتباط با ساخت سلاحهای جنگی، تفنگها و توپهای لیزری از اهمیت زیادی برخوردارند. استفاده از مواد ابررسانایی در تهیه چنین وسایلی کاربرد عملی آنها را به میزان زیادی افزایش داده است. لیزرهای قوی نیاز به انرژیهای بالا، در زمانی بسیار کوتاه، دارند. مولدهای ابر رسانایی امکان به کارگیری روش علمی برای تولید برق و ذخیره سازی آن در سیستم SMES (ذخیره کننده انرژی مغناطیسی ابررسانایی) را دارند. در چنین سیستمهایی، سیم پیچهای ابر رسانایی بزرگ که در زیر زمین جای داده می‌شوند، می‌توانند مقادیر زیادی از انرژی الکتریکی را ذخیره کنند. این انرژی ذخیره شده در هر زمان که لازم باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد. چنانچه مولدهای ابر رسانایی و سیستمهای SMES، تا حد مورد قبولی بهینه سازی شوند، امکان استفاده از سیستمهای لیزری قابل حمل در کشتیها و هواپیما وجود خواهد داشت.
حساسگرهای ابررسانایی

نقش حساسگرها در سیستمهای دفاعی امروزی بسیار چشمگیر است و چنین به نظر می‌رسد که حتی در آینده موثر تر پیدا خواهد کرد. حساسگرهایی که در روی زمین، کشتیها، هواپیما و ماهواره ها جاسازی می‌شوند قادرند که رخدادهای جهانی را دیده بانی کنند. با به کارگیری فناوری الکترونیکی ابر رسانایی انتظار می‌رود که حساسگرهایی با حساسیت خیلی بالا ساخته شوند. چنین حساسگرهایی قادر به دیده بانی مناطق بسیار وسیع تری خواهند بود.