Elektrik akımının bir kablodan geçerken ısındığını ve enerji kaybettiğini hepimiz biliriz. Bu, fiziğin kaçınılmaz bir kuralı gibi görünür. Ancak sıcaklığı "mutlak sıfıra" (-273.15 santigrat derece) yaklaştırdığınızda, bazı malzemelerde mucizevi bir şey olur: Direnç tamamen kaybolur. Elektronlar, hiçbir engele takılmadan sonsuza kadar akabilir. İşte buna Süper İletkenlik denir. Bu yazımızda, tıptan enerjiye kadar dünyayı değiştiren kriyojenik uygulamalar için kullanılan süper iletken malzemeleri ve arkasındaki bilimi inceliyoruz.
Süper iletkenlik, belirli malzemelerin kritik bir sıcaklığın (Tc) altına soğutulduğunda elektriksel direncinin sıfırlanması ve içindeki manyetik alanı tamamen dışlaması (Meissner Etkisi) olayıdır.
Normal bir bakır kabloda elektrik taşırken %10-15 oranında enerji ısıya dönüşerek kaybolur. Süper iletkenlerde ise bu kayıp koca bir "Sıfır"dır. Ancak bu sihrin gerçekleşmesi için ortamın çok soğuk, yani kriyojenik olması gerekir.
Mühendisler süper iletkenleri çalışma sıcaklıklarına göre iki ana kategoriye ayırır. Her ikisi de farklı kriyojenik soğutma sistemlerine ihtiyaç duyar.
Endüstrinin emektar malzemeleridir. Genellikle sıvı Helyum (4.2 Kelvin veya -269 santigrat derece) ile soğutulmaları gerekir.
Niyobyum-Titanyum (NbTi): Dünyadaki süper iletken uygulamalarının büyük çoğunluğunda bu malzeme kullanılır. İşlenmesi kolaydır, tel haline getirilebilir ve mekanik olarak dayanıklıdır. Bugün hastanelerdeki MRI cihazlarının kalbinde bu teller vardır.
Niyobyum-Kalay (Nb3Sn): NbTi'den daha yüksek manyetik alanlar yaratabilir ancak kırılgandır. Genellikle nükleer füzyon reaktörleri (ITER gibi) ve yüksek enerji fiziği projelerinde tercih edilir.
"Yüksek sıcaklık" terimi sizi yanıltmasın; bu malzemeler hala dondurucu soğukta çalışır. Ancak sıvı Helyum yerine, çok daha ucuz ve bulunabilir olan sıvı Azot (77 Kelvin veya -196 santigrat derece) ile çalışabilirler.
YBCO (Yttrium Barium Copper Oxide): Seramik tabanlı bir malzemedir. Sıvı azot sıcaklığında süper iletken özellik gösterir. Bu özellik, soğutma maliyetlerini dramatik şekilde düşürdüğü için devrim niteliğindedir.
BSCCO (Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide): Şeritler halinde üretilebilen ve enerji iletim hatlarında kullanılma potansiyeli yüksek olan bir diğer HTS malzemedir.
Kriyojenik süper iletkenlerin en yaygın ticari kullanımıdır. MRI cihazının o güçlü manyetik alanını yaratmak için, sıvı helyum içinde yüzen Niyobyum-Titanyum bobinler kullanılır. Süper iletkenlik olmasaydı, bir MRI cihazı küçük bir şehir kadar elektrik harcardı.
Tekerlek yok, sürtünme yok. Süper iletken mıknatıslar sayesinde rayların üzerinde havada asılı giden Maglev trenleri, saatte 600 km hıza ulaşabilir. Japonya'daki SCMaglev projesi, bu teknolojinin en uç örneğidir.
Evrenin sırlarını çözmeye çalışan CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC), parçacıkları ışık hızına yakın yönlendirmek için devasa süper iletken mıknatıslar kullanır. 27 kilometrelik tünel, dünyanın en büyük kriyojenik sistemidir.
Geleceğin sınırsız ve temiz enerji kaynağı olan nükleer füzyon, plazmayı manyetik alanlarla hapsetmeye dayanır. Fransa'da inşa edilen ITER projesinde, plazmayı kontrol etmek için devasa süper iletken bobinler kullanılmaktadır.
Süper iletkenlerin önündeki en büyük engel, onları soğuk tutma maliyetidir (Cryocooler sistemleri). Sıvı helyum pahalı ve nadirdir. Bu yüzden bilim dünyası, oda sıcaklığında çalışan süper iletkenleri (Room Temperature Superconductors) bulmak için yarışıyor. Eğer bu başarılırsa, kriyojenik sistemlere gerek kalmadan enerji devrimi yaşanabilir.
Kriyojenik uygulamalar için geliştirilen süper iletken malzemeler, modern tıptan kuantum bilgisayarlara kadar teknolojinin sınırlarını belirliyor. NbTi ve YBCO gibi malzemeler, isimlerini ezberlemesi zor olsa da, hayatımızı kolaylaştıran teknolojilerin gizli kahramanlarıdır. Soğutma teknolojileri geliştikçe ve yeni HTS malzemeler keşfedildikçe, "kayıpsız enerji" hayali gerçeğe daha da yaklaşacak.
