Szupravezető dróton jön az áram Detroitban

November folyamán Detroitban, az autógyártás fővárosában beindítják a világ első ellenállás nélküli, nagyteljesítményű elektromos távvezetékét. A 30 ezer háztartást ellátó áram a Frisbie transzformátorteleptől kiindulva egy 120 méteres szakaszon három szupravezető kábelben folyik.

A Palo Alto-i villamosenergia kutatóintézet (Electric Power Research Institute, EPRI) szupravezető programjának menedzsere, Paul Grant a New Scientist folyóirat hasábjain számolt be az energiaellátást forradalmasító kísérletről.

A projektet négy éven keresztül készítették elő, és sokan már nem is hitték, hogy egyszer megvalósulhat a detroiti szupravezető hálózat. A magas hőmérsékleten szupravezető (HTS) kábel alkalmazásának egyik nagy előnye az alacsony veszteségek mellett, hogy sokkal nagyobb a szállítási kapacitása. Ezzel egyidejűleg a kábel igen könnyű, és kicsi a keresztmetszete.

Az érintett szakaszon 9 régi rézkábelt (összsúlyuk 8 tonna) 3 szupravezető kábel vált ki (110 kg). Az új kábeleket régi föld alatti kábelcsatornákba is be lehet húzni, és így a hálózat kapacitása újabb csövek lefektetése nélkül többszörösére nőhet.

A szupravezető kábeleket elsőként vetik be egy valódi villamosenergia-hálózatban, az ügyfeleket rajtuk keresztül látják el. Az ellenállás itt ismeretlen fogalom, hiszen a szupravezetők olyan anyagok, melyek egy bizonyos hőmérséklet alatt, fémek esetében ez majdnem az abszolút nulla fok, közel végtelen vezetőképességgel rendelkeznek.

A jelenség fémek esetében már 1911 óta ismert, de a feltétlenül szükséges erős hűtés jelentősen korlátozta a gyakorlati alkalmazását. Új kutatási eredmények rámutattak, hogy a rendkívül olcsónak számító magnézium-diborid 39 Kelvin (-234,15 Celsius) hőmérsékleten szupravezetővé válik. Az anyag alkalmazásának előnyeit és hátrányait még intenzíven vizsgálják.

Korai volt a lelkesedés

Már 1986-ban felfedezték az első HTS anyagokat. Ezeknél is szükség van hűtésre, de erre a magas határhőmérséklet (például 138 Kelvin, -135 Celsius) miatt már folyékony nitrogént is lehet alkalmazni. Ez pedig a gazdaságosság szempontjából komoly előny. A legjobb eredményeket rézoxid alapú szupravezetőkkel érték el.

A veszteség nélküli áramszállítás körüli kezdeti lelkesedésben sokan azt jósolták, hogy gyorsan le fogják cserélni az összes elektromos vezetéket. Az eljárás napi gyakorlatba ültetése nehéznek bizonyult, és így csaknem 20 évig tartott, míg szupravezető szakaszt építettek egy valódi villamosenergia-hálózatba.

És ennek nem utolsósorban költségbeli okai vannak. A HTS kerámiák azzal a jelentős hátránnyal bírnak, hogy a gyártási elv miatt megannyi apró szemcséből állnak. A szemcsék egyenként ellenállás nélkül vezetnek, de a kábelen belül az áramnak a szemcsék hosszú során kell végigfutnia.

A szemcsék érintkezési felületeinek vezetőképessége viszont sokszor gyengébb, mint maguknak a szemcséknek. Ennek ellentételezésére igen költséges kutatások zajlanak, hogy a szemcséket lehetőleg egymással párhuzamos sorokba rendezzék.

Mégsem zérus az ellenállás

Valójában a szupravezető kábeleken nem veszteség nélküli az energia továbbítása, de az egy százalékos érték töredéke a rézkábelek veszteségeinek. A hagyományos kábeleket a felhevülés miatt gyakran olajjal hűtik, ami környezet- és tűzvédelmi aggályokat vet fel.

Ilyesmi a szupravezetőknél nem fenyeget, hiszen ha valóban baleset történik, a nitrogén szabadon elillanhat. A folyékony nitrogént alkalmazó hűtési rendszerek még fejlesztés alatt állnak, és nincs kereskedelmi változatuk.

Mind a mai napig alumínium- és rézkábelek szállítják a villamos energiát a végfelhasználókig, és az oda vezető úton az energia több mint 10 százaléka elveszik. A távvezetékekben ez a veszteség hő formájában jelentkezik.

Teljes terhelés alatt bizonyíthat

A HTS kábelek különböző összetételű prototípusok formájában léteznek. Detroitban egy BSCCO (ejtsd: Bisko) vezetőt alkalmaznak, mely bizmutból, stronciumból, kalciumból és rézoxidból áll, ezüstbe ágyazva.

Ezeket a kábeleket már különböző gyártóktól meg lehet venni, akár kilométeres hosszúságban. A hűtésről a külső köpenyben áramló nitrogén gondoskodik. Így lehetséges elenyésző ellenállás mellett 100 amperes áramot továbbítani - írta New Scientistben Peter Grant.

A kábelek kapacitása olyan gyorsan nőtt, hogy a lehetőségek messze meghaladták a kutatók elképzeléseit, amikor nekiláttak a Friesbie trafóállomás átalakítási terveinek elkészítéséhez. A kábelek teljesítményének kipróbálásához nem marad más módszer, a rá kapcsolódó valamennyi háztartásban egy időben be kell kapcsolni az összes fogyasztót - véli Peter Grant.

A szupravezetők körüli ipar világszerte beindulni látszik. Ennek ellenére az ilyen vezetékeknek valódi hátrányai is vannak, elsőként mindjárt a költségek említendők. Mivel a szupravezető kerámiákat ezüstbe ágyazzák, a kábelek rendkívül drágák. Peter Grant úgy becsüli, hogy a hűtőrendszerrel együtt a piaci forgalmazásra szánt szupravezető kábelek két-háromszor drágábbak lesznek, mint a hasonló kapacitású hagyományos rézkábelek.