Odkrycia nauki z początku XX wieku nadal oddziałują na ludzi i zmieniają otaczającą nas rzeczywistość. W najbliższej przyszłości powinniśmy odczuć, że rachunki za prąd będą niższe oraz pojawią się zupełnie nowe możliwości szybkiego podróżowania do odległych zakątków każdego kontynentu. A gdybym zdradził, że żyjemy w czasach, gdy technologie rodem z science fiction – umożliwiające lewitowanie albo gromadzenie energii elektrycznej – rodzą się na naszych oczach?

Tajemnicza fizyka

Nadprzewodnictwo to zjawisko fizyczne, które charakteryzuje się tym, że niektóre materiały mogą bez oporu transportować ogromne gęstości prądu elektrycznego i powodują, że magnesy (lub one same) mogą lewitować. Ta druga właściwość – tak szczególnie widowiskowa – jest chętnie pokazywana na festiwalach naukowych i weszła do kanonu magicznych sztuczek, jakie serwuje się widzom. Mój młody umysł również uległ jej urokowi. Gdy byłem jeszcze w gimnazjum, z całą klasą odwiedziliśmy Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Zaprezentowano nam całą gamę ciekawych eksperymentów fizycznych, ale moją uwagę najmocniej przykuł sześcienny magnes lewitujący nad ceramicznym dyskiem. Dysk okazał się jednym z najlepiej poznanych materiałów nadprzewodzących. Kolejnym zaskoczeniem było to, że musiał być chłodzony ciekłym azotem, aby zachować swoje unikatowe właściwości. To, co wtedy w moich oczach dodawało mu splendoru, pozostaje jednym z największych wyzwań w dziedzinie aplikacji materiałów nadprzewodzących.

Nie każdy błądzi, kto wędruje

Moja osobista i zawodowa przygoda z materiałami nadprzewodzącymi rozpoczęła się wiele lat później. Na studiach doktoranckich stanąłem przed możliwością zaproponowania własnej tematyki badawczej związanej z rozprawą doktorską. Wtedy fascynacja materiałami nadprzewodzącymi na nowo odżyła. Dzisiaj trochę się z tego śmieję, gdyż od czasów gimnazjalnych do doktoratu całkowicie zapomniałem, czym były te materiały. Co w takim razie wpłynęło na fakt, że jako młody doktorant – który skończył inżynierię materiałową bez głębokiej wiedzy fizycznej – zająłem się tematem będącym teoretycznym i praktycznym wyzwaniem dla współczesnej energetyki?

Na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, gdzie zdecydowałem się realizować doktorat, wykorzystywano technikę wytwarzania cienkich warstw za pomocą lasera impulsowego znaną na świecie pod akronimem PLD. W technice tej najważniejszym elementem jest laser o dużej mocy, który wytwarza impulsy światła o zadanej długości fali. Impulsy lasera padają na materiał o wybranym składzie chemicznym. Ilość energii, jaka zostaje przekazana materiałowi, powoduje jego rozpylenie na pojedyncze atomy lub prostsze związki chemiczne. Rozpylona materia zaczyna się zachowywać trochę jak dym ulatujący z zapalonego papierosa. Na samej górze urządzenia PLD umieszcza się płaski element zwany podłożem. Rozpylona materia osiada na podłożu, tworząc warstwę. Jeżeli grubość osadzanego materiału pozostaje w skali nanometrów (10-9 m), to mówimy, że udało się wytworzyć cienką warstwę.

Istota techniki PLD polega na budowaniu z rozpylonych atomów nowych struktur geometrycznych w bardzo małej skali. Przypomina to układanie klocków – warstwa po warstwie nadbudowując powierzchnię podłoża. Stałem się po części nanoarchitektem, gdyż osadzanie kolejnych warstw z różnych materiałów można porównać do budowania domu. Zaczynamy od fundamentu, którym jest podłoże, a potem na jego powierzchni wznosimy kolejne poziomy. Konstrukcje, które buduje się z atomów, mogą być uporządkowane lub też chaotyczne. Mnie najbardziej interesują te uporządkowane, gdyż mogę w pełni wykorzystać ich budowę do praktycznych celów.

Po wnikliwej analizie literatury naukowej okazało się, że metoda PLD swoją popularność zawdzięcza temu, iż w bardzo prosty sposób można nią wytworzyć cienkie warstwy z materiałów nadprzewodzących. Pierwszym krokiem było właśnie wytworzenie kilku takich warstw i przekonanie się na własnym przykładzie, jak należy badać tego typu materiały.

Wyzwanie dla inżyniera

Z czasem temat rozprawy doktorskiej w sposób naturalny ewoluował i zawężało się pole moich poszukiwań. We współpracy z zaprzyjaźnionymi fizykami bardzo szybko nadrobiłem braki w wiedzy i nabyłem doświadczenia w wytwarzaniu cienkich warstw z dużej gamy składów chemicznych. Po kilkunastu eksperymentach i poświęconych weekendach odnalazłem zastosowanie dla tego typu warstw. To było coś kuszącego, a zarazem kryło w sobie nutę wyzwania dla osoby z natury ciekawskiej.

Heike Kameriingh Onnes – odkrywca zjawiska nadprzewodnictwa – miał wielkie marzenie, aby tego typu materiały znalazły szerokie zastosowanie w życiu codziennym. Dzisiaj, po ponad 100 latach od tego odkrycia, jego marzenie zaczyna się spełniać na naszych oczach.

Istnieje wiele prototypowych i komercyjnych rozwiązań wykorzystujących cienkie warstwy z materiałów nadprzewodzących. W ramach doktoratu zająłem się dziedziną związaną z transportem energii elektrycznej, a dokładniej przewodami nadprzewodzącymi z drugiej generacji. Ich głównym celem jest transport prądu na duże odległości bez strat związanych z oporem elektrycznym. Czy to ważna zaleta? Ile tracimy na samym transporcie energii elektrycznej do naszych domów? Nie jest ważne, czy mówimy tu o energii elektrycznej wyprodukowanej konwencjonalnymi metodami, czy też z odnawialnych źródeł. Niemalże jedna trzecia tego, co wytworzymy, zmienia się w niewykorzystane ciepło. Każdy z nas płaci za straty, mimo że nigdy nie zużyje tej energii. Dalej można zapytać, czy w obliczu takich problemów kable nadprzewodzące są wydajniejsze od standardowych, metalowych? Gdy porówna się przewody o tej samej średnicy pracujące w niskich temperaturach, to się okaże, że materiały nadprzewodzące mogą transportować nawet dwieście pięćdziesiąt razy większy prąd niż czysta miedź!

Czemu zatem kable nadprzewodzące nie zdominowały rynku na całym świecie? Czemu przeciętny człowiek wie o nich tak mało? Mają one niewiele wad, ale są za to ogromnym wyzwaniem na wielu płaszczyznach. Podczas badań skupiłem się na problemach inżynierskich. Jak już wspomniałem, materiały nadprzewodzące swoje właściwości zachowują tylko w bardzo niskich temperaturach, stąd muszą być ciągle ochładzane. To udaje się już w pewien sposób dobrze kontrolować. Gorszym problemem jest to, że materiały wykorzystywane jako kable nadprzewodzące są ceramiką, bardzo podobną do tej, którą znamy z naszej kuchni jako kubki czy filiżanki. Wiemy, jak te materiały są kruche i czasami mało wytrzymałe. Nie możemy zatem w prosty sposób wytworzyć z materiałów nadprzewodzących wielokilometrowych kabli, takich jak te z metali i ich stopów. U progu XXI wieku było to najtrudniejsze zagadnienie badawcze, nad którym pracowali fizycy i inżynierowie wdrażający materiały nadprzewodzące do przemysłu. Ominięciem tej bariery okazało się ciekawe rozwiązanie. Warstwy nadprzewodzące można osadzać różnymi technikami (m.in. PLD) na powierzchni metalicznych taśm (trochę przypominające folie aluminiowe). Dzięki temu zyskują one ich sprężystość i można je zwijać w długie odcinki. Obecnie wiele firm się ściga, bijąc kolejne rekordy długości dostarczanych odcinków przewodów nadprzewodzących.

Najpopularniejsze w przemyśle taśmy wykonane ze stopów niklu dobrze sprawdzają się do transportu energii elektrycznej i to dzięki nim doświadczymy kolejnej rewolucji w energetyce. Niestety są nieskuteczne, jeżeli chodzi o wykorzystanie ich w obszarach magazynowania energii czy wytwarzania wielkich pól magnetycznych niezbędnych m.in. w diagnostyce rezonansu magnetycznego.

W swojej pracy badawczej skupiłem się na rozwiązaniu tego problemu poprzez wykorzystanie taśm na bazie czystej miedzi i osadzaniu na nich podwarstw przejściowych składających się z azotku tytanu (TiN) i tlenku magnezu (MgO). TiN i MgO różnią się składem chemicznym, ale są związkami bardzo do siebie podobnymi, jeżeli chodzi o rozmieszczenie poszczególnych atomów. Dokładnie jeden atom tytanu wiąże się trwale z jednym atomem azotu oraz odpowiednio jeden atom magnezu tworzy wiązanie z jednym tlenem. Dzięki swojej zwartej budowie w skali atomowej TiN i MgO można w dość łatwy sposób połączyć w szczelną barierę blokującą dyfuzję (mieszanie się) atomów odpowiednio miedzi i tlenu. Dzięki temu nie dochodzi do wymieszania się materiałów w kablu nadprzewodzącym, a tym samym uzyskujemy stałe własności użytkowe. Nie wiadomo natomiast, co się dzieje na granicy pomiędzy połączonymi materiałami i jak grube powinny być warstwy, aby zachowały swoje ochronne własności. To jest obszar wiedzy, który staram się poznać.

Jeden z przystanków podczas naukowej wyprawy

Najważniejszym krokiem dla mnie było uzyskanie odpowiedniej taśmy miedzianej, która miała służyć jako podłoże warstw TiN i MgO. Przy okazji wprowadziłem nowy i szybki sposób oczyszczenia powierzchni taśmy miedzianej tuż przed procesem osadzania. Dzięki temu udało mi się uzyskać czyste połączenie miedzi z azotkiem tytanu, bez korzystania z drogiej aparatury. To odkrycie stało się jednym z filarów mojej pracy doktorskiej. Do dzisiaj pamiętam radość, jaka mnie ogarnęła, gdy zobaczyłem próbkę pod transmisyjnym mikroskopem elektronowym przy bardzo dużym powiększeniu – w skali bliskiej pojedynczych atomów. Miedź bezpośrednio łączyła się z nanometryczną warstwą TiN. Co więcej, TiN bardzo równomiernie pokrywał powierzchnię taśmy, powielając nierówności miedzi. Kolejnym krokiem było osadzanie tlenku magnezu na azotku tytanu. Istniało ryzyko, że podczas tego procesu azotek może się utlenić i cały plan się nie uda. Na szczęście udało się ominąć zagrożenie.

Dzisiaj te małe sukcesy są podstawą moich najnowszych badań związanych z odpowiedzią na podstawowe pytanie: jak grube powinny być warstwy TiN i MgO? Gdy już uzyskam odpowiedź, zamierzam osadzić warstwę nadprzewodzącą i porównać jej własności z tymi, które dzisiaj są oferowane na rynku i przedstawiane w publikacjach.

Przygoda trwa

Przez ostatnie dwadzieścia lat firmy i instytuty zajmujące się rozwojem technologii kabli nadprzewodzących zyskały dojrzałe oblicze, jeżeli chodzi o wiedzę (know-how ), inwestycje oraz sprzedaż. Wachlarz wytwórców i dostawców kabli nadprzewodzących na rynku światowym obejmuje firmy wywodzące się ze środowiska start-upów, kilka z nich to dojrzałe placówki badawczo-rozwojowe, a nawet wielkie korporacje technologiczne, takie jak Bruker, American Superconductor czy Nexans. Co więcej, tendencja dotycząca zapotrzebowania na kable nadprzewodzące jest wzrostowa, a pula zamówień w sektorach publicznym i prywatnym stale rośnie. Raporty wskazują, że kable nadprzewodzące ułatwiają życie wielu osobom oraz instytucjom na świecie. Warto się przyjrzeć amerykańskiemu projektowi Long Island HTS Power Cable, który był pierwszą na świecie (udaną!) próbą połączenia kabli nadprzewodzących z istniejącą infrastrukturą energetyczną.

Wszystkie obecnie działające firmy wprowadzają produkty oparte na taśmach niklowych. Ja jednak szukam alternatywnych dróg, staram się sięgać dalej i przewidywać, jakie powinny być następne kroki. Dzięki takiemu spojrzeniu zmieniło się moje życie, gdyż staram się budować rozwój osobisty i zawodowy oparty właśnie na drobnych sukcesach. Seria przypadkowych wydarzeń i spotkanie pewnych osób doprowadziły mnie do niesamowitych miejsc i pozwoliły zgłębiać wiedzę, która zmieni, a może zdecydowanie zdeterminuje przyszłość ludzkości. Jestem niezmiernie ciekaw, z czym przyjdzie mi się zmierzyć tym razem. Zapraszam wszystkich do wzięcia udziału w ciekawej wyprawie dotyczącej poznania części naszej rzeczywistości.