Hãy tưởng tượng một thế giới không có tổn thất năng lượng, nơi điện được truyền đi hàng ngàn cây số mà không hao hụt. Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng hứa hẹn biến điều không tưởng này thành hiện thực, mở ra một cuộc cách mạng công nghệ thay đổi mọi mặt đời sống.
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng là gì?
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng là những hợp chất có khả năng dẫn điện với điện trở bằng không ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường.
Đây được coi là "Chén Thánh" trong ngành vật lý vật chất, bởi các vật liệu siêu dẫn hiện tại chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực lạnh (thường dưới -196°C) và/hoặc áp suất cực lớn.
Để dễ hình dung, hãy xem dòng điện chạy trong dây dẫn thông thường như nước chảy trong một đường ống gồ ghề, đầy sỏi đá. Ma sát và chướng ngại vật (điện trở) làm dòng nước chảy chậm lại và mất năng lượng dưới dạng nhiệt.
Ngược lại, trong vật liệu siêu dẫn, đường ống đó hoàn toàn trơn nhẵn, cho phép dòng nước chảy qua mà không gặp bất kỳ sự cản trở nào.
Sự ra đời của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng sẽ mang lại những lợi ích đột phá:
- Hiệu quả năng lượng tối đa: Loại bỏ hoàn toàn sự lãng phí điện năng trong quá trình truyền tải và sử dụng, ước tính chiếm khoảng 5-10% tổng sản lượng điện toàn cầu.
- Thiết bị mạnh mẽ và nhỏ gọn hơn: Cho phép tạo ra các nam châm siêu mạnh cho máy chụp cộng hưởng từ (MRI) nhỏ gọn hơn, động cơ điện hiệu suất cao và các linh kiện điện tử tốc độ vượt trội.
- Cách mạng hóa công nghệ: Mở đường cho những công nghệ tương lai như máy tính lượng tử ổn định, tàu đệm từ siêu tốc và các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu suất 100%.
Ứng dụng của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng trong năng lượng sạch
Cuộc chiến chống biến đổi khí hậu và quá trình chuyển đổi sang năng lượng bền vững sẽ có một bước nhảy vọt nếu chúng ta làm chủ được công nghệ này.
Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng có thể giải quyết những thách thức cốt lõi nhất của ngành năng lượng sạch.
| Ứng dụng | Mô tả chi tiết |
| Truyền tải điện không tổn hao | Xây dựng một mạng lưới điện toàn cầu hiệu quả, cho phép vận chuyển năng lượng mặt trời từ các sa mạc hoặc năng lượng gió từ ngoài khơi xa vào đất liền mà không bị thất thoát. |
| Lưu trữ năng lượng quy mô lớn (SMES) | Các cuộn dây siêu dẫn có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng điện dưới dạng từ trường gần như vĩnh viễn và giải phóng ngay lập tức khi cần thiết, giúp ổn định lưới điện khi nguồn cung từ năng lượng tái tạo (gió, mặt trời) không ổn định. |
| Máy phát điện gió hiệu suất cao | Thiết kế các tuabin gió nhẹ hơn, nhỏ gọn hơn và mạnh hơn đáng kể so với hiện nay, có khả năng sản xuất nhiều điện hơn với cùng một tốc độ gió. |
| Lò phản ứng tổng hợp hạt nhân | Tạo ra các nam châm cực mạnh cần thiết để chứa và kiểm soát plasma nóng trong các lò phản ứng nhiệt hạch (tokamak), đưa nguồn năng lượng sạch và gần như vô tận này đến gần hơn với thực tế. |
>>> Chi tiết tại: Tái sử dụng kim loại: khoa học về sự ăn mòn và độ bền vật liệu
Thách thức nghiên cứu vật liệu siêu dẫn trong công nghệ
Hành trình đi tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng đầy rẫy chông gai và thử thách. Mặc dù tiềm năng là vô hạn, các nhà khoa học vẫn đang đối mặt với những rào cản to lớn về cả lý thuyết và thực nghiệm.
- Sự phức tạp của vật liệu: Các cơ chế vật lý đằng sau hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ cao vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Việc tìm kiếm các hợp chất mới chủ yếu dựa trên thử nghiệm và sai sót, một quá trình tốn kém và mất nhiều thời gian.
- Điều kiện khắc nghiệt: Nhiều ứng cử viên tiềm năng chỉ thể hiện tính siêu dẫn dưới áp suất cực lớn, tương đương với áp suất ở tâm Trái Đất, khiến chúng không thể ứng dụng trong thực tế.
- Tính ổn định và khả năng chế tạo: Vật liệu cần phải ổn định về mặt hóa học, bền về mặt cơ học và có thể được sản xuất hàng loạt dưới dạng dây hoặc băng với chi phí hợp lý. Đây là một thách thức kỹ thuật khổng lồ.
- Những tuyên bố gây tranh cãi: Lĩnh vực này không thiếu những tuyên bố đột phá nhưng sau đó không thể kiểm chứng, điển hình là trường hợp LK-99 vào năm 2023. Những sự kiện như vậy đòi hỏi sự thẩm định khoa học nghiêm ngặt và thận trọng để tránh những kỳ vọng không thực tế.
>>> Đọc để hiểu thêm: Sản xuất bền vững: khoa học vật liệu và công nghệ xanh
Dù còn nhiều khó khăn, cuộc đua tìm kiếm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng vẫn tiếp tục với sự tham gia của các phòng thí nghiệm hàng đầu thế giới. Mỗi bước tiến nhỏ đều mang lại hy vọng về một tương lai công nghệ đột phá.
>>> Cập nhật thêm thông tin: Vật liệu tái chế: công nghệ đột phá cho nền kinh tế tuần hoàn