Superconductors

초전도체

초전도체는 전자 사이에 인력이 발생할 때 나타나는 물질의 상태이다. 진공에서 전자 사이의 힘은 항상 반발력이지만, 응집 물질과의 상호작용은 전자들의 운동에 상관관계를 가져와 순 인력을 발생시킬 수 있다. 이것이 충분히 낮은 온도에서 발생하면, 결합된 전자 쌍은 거시적 양자 상태로 떨어지며, 이 상태에서는 전자들을 경로에서 밀어내기가 어려워진다. 결과적으로 전자들은 저항으로 에너지를 잃지 않으며 전류가 방해 없이 흐를 수 있다. 초전도성은 전산정보 시대 이전에 발견되었다. 그러나 이러한 초전도체들은 전자 쌍의 결합이 약했기 때문에, 초전도 상태를 유지하기 위해서는 극도로 낮은 온도가 필요했다.
준안정 상온 초전도체는 73 A.T.에 개발되었지만, 생산에는 매우 많은 시간과 비용이 들었다. 처음에는 무중력 상태에서만 제작할 수 있었다. 게다가 이 재료들은 초기에는 실제 응용에 적합하지 않았는데, 부서지기 쉽고 다루기 어려웠으며, 일반적으로 자기 선속 고정과 이동에 문제를 보여 광고된 것만큼 완전히 무저항은 아니었다. 초기 응용은 자기장 감지기와 같은 개별 미세 규모 경질 부품으로 제한되었다.

시간이 지나면서 유연하고 견고한 상온 초전도체 제조 문제가 해결되었지만, 공정이 충분히 복잡하여 비용은 테크노칼립스(Technocalypse) 이후까지도 높게 유지되었다. 이는 응용을 소형 고가치 장치용 부품으로 제한했다 - 일반적으로 센서나 높은 비에너지나 비출력이 중요한 소규모 에너지 저장장치였다. 결국 패턴화된 초전도 필름을 넓은 폭으로 빠르게 인쇄하는 방법이 개발되었으며, 이러한 발전으로 상온 초전도체는 저렴한 소비재, 대용량 에너지 저장장치, 무마찰 베어링, 고출력 마이크로파 장치, 무손실 송전선 형태로 널리 쓰이게 되었다.

한계

높은 온도, 자기장, 전류는 모두 초전도성을 파괴할 수 있다. 최초의 상온 초전도체는 최대 350 켈빈의 온도와 500 테슬라의 자기장을 견딜 수 있었다. 다만 둘을 동시에 견디지는 못했다. 상온인 300 K에서 초전도성이 소멸되는 임계 자기장은 약 200 T 근처에서 발생했다. 현대 초전도체는 상온에서 500 K에 가까운 온도와 700 T 이상의 자기장을 처리할 수 있다.

응용

전력 전송 및 전기 장치

초전류는 저항 손실 없이 초전도체를 통해 흐른다. 이는 전선이나 케이블 도파관이라는 분명한 응용으로 이어진다. 이들은 직류에서 원적외선 주파수까지의 초전류 형태의 전력이 저항으로 에너지를 잃거나 전선을 가열하지 않고 흐를 수 있게 한다. 초전도체가 송전망의 중추를 이루면, 전기는 발전소에서 소비자에게 효율적으로 전달될 수 있다.

시간이 지나면서 금속 및 탄소 전선은 거의 모든 전기 및 전자 응용 분야에서 초전도 리본으로 대체되었다. 그 결과 같은 전력에서 더 효율적이고 더 가벼운 인덕터, 변압기, 회전식·선형 전기 모터, 발전기를 만들 수 있게 되었다.

에너지 저장

초전도 경로가 완전한 루프를 형성하면, 초전류는 루프 주위를 영원히 흐를 수 있다. 이론적으로 초전도체를 가로지르는 자기 선속선의 이동은 어느 정도 저항을 일으킬 수 있지만, 이러한 자기 선속선이 충분히 강하게 고정되어 있거나 형성되기 충분히 어려운 초전도체의 경우, 초전류는 수만 년 동안 눈에 띄는 감소 없이 흐를 수 있다 (더 인기 있는 초전도 재료에 대한 계산은 초전류가 우주의 전체 수명 동안 눈에 띄게 변하지 않을 것임을 보여주지만, 그러한 주장은 명백히 측정이 불가능하다).

흐르는 전류는 자기장을 생성하며, 자기장은 에너지를 포함한다. 따라서 강한 자기장을 생성하는 장치는 많은 양의 에너지를 저장한다. 일반적인 방법은 초전도 리본을 튜브 주위에 단단히 감아 전자석을 만드는 것이다. 리본이 끝과 끝을 서로 연결하면, 강력한 자기장을 유지하는 지속적인 초전류를 설정할 수 있다. 스위치를 전환하여 전류를 부하를 통해 우회시키는 것처럼 전류가 중단되면, 유도 역류는 전압 급증을 생성하여 전류를 부하 쪽으로 밀어내고 연결된 모든 장치에 전력을 공급한다. 전류를 밀어내는 기전력은 매우 강하여, 실용적인 목적상 초전도 솔레노이드는 필요하면 모든 에너지를 즉시 방전할 수 있다.

이 방식에는 몇 가지 공학적 문제가 따른다. 자기장이 전자석 너머로 흘러나가면, 느슨한 강자성 물체가 전자석을 향해 격렬하게 가속될 때 위험을 초래할 수 있다. 또한, 가까운 전도성 물체, 꼭 강자성체일 필요는 없는 물체에 생기는 와전류는 전자석과 도체가 서로에 대해 움직일 때 추가적인 항력을 가할 수 있다. 일반적인 해결책은 초전도 리본을 토러스 도넛 또는 베이글 모양 주위에 감는 것인데, 이는 자기장을 토러스 내부에 완전히 가둔다. 전자석이 감기는 튜브 모양이 끝이 서로 연결되도록 다시 구부러지는 한, 다양한 다른 모양도 가능하다.

해결해야 할 또 다른 문제는 자기장이 전류에 힘을 가하며, 여기에는 그것을 생성한 바로 그 전류도 포함된다는 것이다. 이러한 힘은 초전류를 운반하는 모든 초전도체에 장력을 가한다; 충분한 전류를 운반하면, 장력이 재료의 인장 강도를 초과하여 초전도체가 파손된다. 많은 에너지를 저장하고 있을 때 이런 일이 발생하면, 전자석이 격렬하게 스스로를 찢어버리면서 파손이 빠르게 폭발로 변한다. 초전도체 자체는 인장 강도가 높지 않다. 그러나 탄소 나노튜브 직물이나 그래핀 슬리브로 보강할 수 있다. 이는 고강도 탄소 재료가 장력을 받아들이게 하여 장치가 초전도 리본만 사용할 때보다 훨씬 높은 에너지를 저장할 수 있게 한다. 초전류는 초전도체의 표면에서만 흐르기 때문에, 얇은 초전도 리본은 두꺼운 탄소 외피에 비해 무시할 수 있는 질량을 가질 수 있다. 초전도 솔레노이드의 비에너지 (단위 질량당 에너지)를 결정하는 것은 외피의 인장 강도이다:

구조 지지

에너지 저장 셀용으로 설명된 종류의 초전도 솔레노이드 튜브는, 초전도 시트의 내부 라이닝과 고인장 강도 탄소 뒷받침의 외부 피복으로 구성되며, 완전히 에너지를 공급받으면 마치 자기장이 초전도체에 압력을 가하는 것처럼 단단해진다. 이 덕분에 구조물 전체가 장력을 받는 방식으로 설계할 수 있다. 초전도체는 솔레노이드 튜브가 단단해질 때까지 "팽창"시키며, 케이블이나 탄소 시트가 구조의 유연성과 범위를 제한할 수 있다. 구조물을 전체적으로 장력 하에 유지하는 것은 특정한 이점이 있다 - 예를 들어, 압축 하에서는 좌굴에 저항하기 위해 두꺼운 지지대가 필요하지만 장력은 가는 케이블로 지지할 수 있다. 또한, 그래핀과 유사한 탄소(탄소 나노튜브 포함)의 인장 강도는 알려진 가장 강한 일반 물질 재료의 압축 강도보다 높다.

구조 지지를 위해 솔레노이드 튜브를 사용하면 이를 사용하는 구조물에서 여러 고유한 특성이 나타난다. 가장 극적인 것 중 하나는 구조물의 에너지를 차단하면 수축되어 쉽게 접어서 보관할 수 있다는 것이다. 다시 에너지를 공급하면 구조물이 팽창하고 팽팽해져 사용할 준비가 된다. 또한, 솔레노이드 튜브에 저장된 에너지는 장치에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있어, 에너지 저장과 구조의 기능을 결합한다. 그러나 작동 중에 재에너지 공급 없이 구조물에서 너무 많은 에너지가 인출되면 자기 압력을 잃으면서 구조물이 처지거나 시들게 된다.

장력 전용 구조물에 사용되는 재료는 유연하므로 충격에 강한 경향이 있다. 구조물은 타격의 힘으로 압축되고 구부러진 다음 다시 튀어 오른다. 이는 탑승자나 작동에 필요한 민감한 기계나 계기를 보호하는 데 사용될 수 있다. 그러나 에너지를 공급받은 튜브는 추가적인 위험을 낳는다. 용량을 초과하여 응력을 받으면 파열될 수 있으며, 그로 인한 폭발은 구조물을 찢고 탑승자나 주변 방관자를 다치게 할 수 있다. 결과적으로, 에너지 저장 솔레노이드와 마찬가지로 구조 지지 튜브는 일반적으로 최대 용량의 일부만 에너지를 공급받는다 - 높은 강성이 필요한 곳에서는 최대 에너지의 1/3~1/2까지 사용할 수 있지만 더 부드러운 구조가 허용되거나 바람직한 응용 분야에서는 최대 용량의 훨씬 낮은 비율이 사용될 수 있다.

차량은 일반적으로 내부 에너지 저장소를 사용하고, 상대적으로 취약한 조작자나 승객을 태우며, 다른 형태의 소형 고비에너지 저장 장치도 유사한 폭발 위험이 있기 때문에, 차량은 프레임과 차체의 대부분에 솔레노이드 튜브와 장력 케이블/시트 구조를 매우 일반적으로 사용한다. 이는 개인 승객 운송 수단을 수축시켜 작은 부피에 쉽게 보관할 수 있게 하여, 넓은 주차장과 구조물의 필요성을 없앤다.

폭발물

초전도 솔레노이드가 견딜 수 있는 한계에 가까운 초전류를 운반하는 동안 파손되면, 격렬한 폭발로 스스로 찢어진다. 한계인 50 MJ/kg에 가까이 에너지를 공급받은 현대 초전도 폭발물은 동일한 무게의 화학 고성능 폭발물보다 10배 이상의 폭발 에너지를 가질 것이다. 완전히 충전된 초전도 폭발물은 운송하기 위험하기 때문에, 일반적으로 에너지 저장 셀과 함께 부분적으로 에너지를 공급받은 상태로 저장된다. 폭발물을 기폭하려면, 에너지 저장 셀을 폭발물에 방전시킨다. 추진 탄약에서는 완전히 에너지를 공급받고 기폭된 폭발물이 발사의 엄격함을 견디지 못하기 때문에 에너지 저장 셀이 종종 필연적으로 희생되어야 하지만, 소프트 발사 또는 비행 중 충전과 관련된 엔지니어링 해결책이 있다. 그러나 건설, 철거, 엔지니어링 목적의 발파의 경우 폭발물은 일반적으로 원격으로 기폭되며 에너지 저장 셀은 재사용될 수 있다.

자기 부상

초전도체는 외부 자기장을 정확히 상쇄하는 표면 초전류를 설정하여 내부에서 모든 자기장을 배제한다. 이를 마이스너 효과라고 한다. 이의 한 가지 결과는 초전도체가 자기장원으로부터 반발되고, 자기장원도 마찬가지로 초전도체로부터 반발된다는 것이다. 이 효과는 초전도 표면 위에 자석을 띄울 만큼 강하며, 반대로 자석 위에 초전도체를 띄울 수도 있다.

자기 부상은 고정 경로를 따라 운송에 일반적으로 사용된다. 초전도체가 저렴하면, 초전도 필름으로 덮인 궤도가 건설되고 초전도 전자석을 가진 차량이 그 위에 떠 있다. 궤도에 내장된 코일이나 전기자를 사용하는 선형 전기 모터를 사용하여 스스로를 끌어당기거나, 터보제트, 터보팬 또는 프로펠러를 사용할 수 있다. 초전도체가 자석보다 더 비싸면, 궤도는 자석으로 만들어지고 차량은 초전도 바닥을 가진다.

마이크로파, 레이더 및 광학 응용

초전도체는 내부에서 전기장과 자기장을 모두 배제하기 때문에 전자기파를 반사한다. 전자기파의 주파수가 너무 높지 않은 한, 이 반사는 거의 완벽하다. 차단 주파수는 대략 광자당 에너지가 전자 쌍의 결합 에너지를 초과하는 지점, 즉 전이 온도가 500 K인 초전도체의 경우 약 10 THz 파장 30마이크론이다. 더 높은 주파수(또는 동등하게, 더 짧은 파장)에서는 초전도체가 급격히 반사율을 잃는다.

초전도체가 완벽한 반사체인 주파수에서는 공진 공동에 일반적으로 사용된다. 이를 통해 전파, 마이크로파 및 원적외선의 강력한 소스를 생성할 수 있다. 이들은 레이더 빔에서 입자 빔 및 자유 전자 레이저의 구동 장치에 이르기까지 다양하게 응용된다.

전자기파용 공진 공동은 에너지 저장용 솔레노이드와 동일한 제한 사항을 많이 가지고 있다. 에너지 밀도가 너무 높아지면 자기장이 초전도체의 임계장을 초과하여 재료가 초전도성을 잃게 된다. 또한, 공동에 갇힌 복사는 공동 벽에 힘을 가하여 벽을 밀어내는 경향이 있으며, 힘이 공동의 인장 강도를 극복하면 공동이 파열된다. 결과적으로 이러한 공진 공동은 동일한 크기와 무게의 초전도 솔레노이드와 동일한 양의 에너지를 저장할 수 있으며, 손상되거나 과부하되면 똑같이 재앙적으로 폭발할 수 있다. 그러나 누출되는 경향이 있으며, 외부 전자기파 소스로 지속적으로 구동되지 않으면 수 초 또는 수 분에 걸쳐 저장된 에너지를 잃게 된다. 이들은 전력 저장이 아니라 마이크로파와 원적외선 빔의 생성·제어에 쓰인다.

센서

두 개의 초전도 영역이 서로 가깝게 인접하게 배치되면, 초전도 영역 사이의 공간을 통과하는 자기장에 민감하게 의존하는 전류가 그들 사이에 흐른다. 이 효과는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)라고 불리는 극도로 민감한 자기장 검출기를 생산하는 데 이용될 수 있다. SQUID는 초민감 의료 및 산업용 MRI 스캐너와 같은 광범위한 센서 및 검출기 기술을 가능하게 한다. 이름 때문에 때때로 혼동이 생기지만, SQUID는 촉수와 흡반이 과도하게 부여된 미끈하고 고무 같은 포식성 연체동물인 오징어(또는 그 문제에 대해서는 사납고 고귀하며 지능적인 소폰트인 프로볼브된 오징어)와는 거의 관련이 없다는 점에 유의해야 한다.

계산

자기 감지에 사용될 수 있는 동일한 결합 초전도체는 계산 및 컴퓨터 메모리에도 사용될 수 있다. 높은 스위칭 속도와 스위치당 낮은 에너지는 특정 응용 분야에 매력적이다. 나노 스케일 탄소 부품으로 만들어진 컴퓨터보다 부피가 크며, 신호가 다른 부품에 도달하기 위해 통과해야 하는 추가 거리는 많은 응용 분야에서 이러한 나노 스케일 탄소 컴퓨터가 더 빠르다는 것을 의미한다. 그러나 초전도 컴퓨터에는 두 가지 장점이 있다. 첫째, 가역적일 수 있어 에너지 소산이 최소로 유지된다. 둘째, 양자 컴퓨터로 만들어질 수 있어 일부 문제 클래스(예: 큰 숫자 인수분해)를 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 해결할 수 있다. 따라서 S0 엔지니어가 만든 대부분의 컴퓨터는 나노 스케일 탄소를 보완하기 위해 초전도체를 사용한다. 초전도체는 얼티밋 칩과 같은 초월지성(Transapient)의 포논 기반 컴퓨터에서는 많이 쓰이지 않는 것으로 보인다.

자기 구속

초전도 와이어가 에너지 소모 없이 생성하고 무한정 유지할 수 있는 강한 자기장은 플라즈마의 자기 구속 또는 방향 제어가 필요한 시스템에 유용하다. 이러한 시스템의 예로는 수소 또는 헬륨의 이국적인 동위원소의 확산 플라즈마가 갇혀서 핵들 사이에 융합이 일어날 때까지 가열되는 자기 구속 핵융합; 탑재된 소스의 플라즈마가 배출되고 우주선에서 멀어지도록 채널링되어 추력을 제공하는 플라즈마 추진기; 그리고 관성 구속 핵융합 과정으로 생성될 수 있는 플라즈마의 외부 폭발이 우주선에서 멀어지도록 유도되어 추력을 제공하는 펄스 드라이브가 있다. 이러한 시스템에는 특정 엔지니어링 고려 사항이 필요하다. 특히, 플라즈마의 온도는 초전도 전이 온도를 훨씬 넘을 것이므로, 초전도 자석 루프는 심하게 단열되어야 하며 종종 능동적으로 냉각되어야 한다. 이는 수백만 뉴턴의 추력에 대해 테라와트 규모의 전력을 방출할 수 있는 고성능 핵융합 펄스 "토치" 구동 장치에 특히 중요하다 - 이러한 구동 장치의 복사 에너지는 초전도 배기 벨을 한계에 가깝게 만들며, 구동 장치 부품에 사용 가능한 냉각은 구동 장치를 기능적으로 유지하는 데 중요하다.

고장은 극적으로 일어날 수 있다. 앞서 논의한 바와 같이, 자기장은 에너지를 포함하고 이를 생성하는 초전류에 응력을 가한다. 자기 구속 장치가 작은 영역에서라도 초전도성을 잃으면, 갑자기 저항성 매체를 통해 밀려나가는 전류는 자기 코일의 해당 섹션을 폭발적으로 플라즈마로 순간 증발시킨다. 증발된 파편의 격렬한 팽창은 탄소 섬유 지지대의 구조적 무결성을 손상시키기에 충분하여, 자기 응력이 코일을 찢어내고 파편을 엄청난 에너지로 날려 보내 인근 장비에 심각한 손상을 입히고 해당 지역의 인원에게 심각한 부상이나 사망을 초래할 수 있다.