Technological applications of superconductivity

การประยุกต์ใช้สารตัวนำยวดยิ่ง

จากสมบัติพื้นฐานของตัวนำยวดยิ่งไม่ว่าจะเป็นการ มีความต้านทานที่น้อยมากจนแทบไม่มีเลยหรือการแสดง ปรากฎการณ์ไมน์สเนอร์ทำให้มีการนำตัวนำยวดยิ่งมาประยุกต์ ใช้ได้ในงานหลายประเภท เช่น ด้านการแพทย์ ด้านการคมนาคม หรือการวิจัยที่ต้องใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูง เป็นต้น ทั้งนี้ องค์ประกอบสำคัญของการประยุกต์ใช้งานตัวนำยวดยิ่งก็คือตัวนำ ยวดยิ่งนั้นจะต้องมีค่าอุณหภูมิวิกฤตที่สูงพอประมาณ รวมถึงต้องมีค่ากระแสวิกฤตและค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตที่สูงด้วย เนื่องจาก การประยุกต์ใช้งานส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและ สนามแม่เหล็ก ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งาน บางประการของตัวนำยวดยิ่ง มีดังนี้

รถไฟพลังแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานโดยใช้ สนามแม่เหล็ก (Magnetic field) มายกให้รถไฟลอย (Levitation) อยู่บนรางทำให้หมดปัญหาการเสียดสีระหว่างรางและตัวรถ รวมทั้งใช้ไฟฟ้าเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กเพื่อเป็นตัวขับเคลื่อน และหยุดรถโดยอาศัยหลักการของการดึงดูดกันของแม่เหล็ก ต่างขั้วและการผลักกันของแม่เหล็กขั้วเดียวกัน โดยจะมีชุดแผงขด ลวดเล็กๆ อยู่สองข้างราง กระแสไฟฟ้าจะเป็นกระแสสลับที่เปลี่ยน ทิศทางไปมาไปมาเพื่อจะเปลี่ยนขั้วสนามแม่เหล็กให้ผลักและดึง รถไฟไปข้างหน้าอยู่ตลอดเวลา โดยแผงรางที่อยู่ข้างหน้าจะมีขั้ว แม่เหล็กตรงข้ามกับแผงที่ติดตั้งบนรถเพื่อที่จะดึงดูดรถและแผงราง ที่อยู่ข้างหลังจะมีขั้วแม่เหล็กเดียวกับแผงที่ติดตั้งบนรถเพื่อทำให้ เกิดแรงผลักเสริมอีกแรงหนึ่ง จากการที่ตัวนำยวดยิ่งแทบจะไม่มี ความต้านทานเลยทำให้สามารถสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้ มากกว่าตัวนำปกติ ลดการสูญเสียพลังงานในรูปพลังงานความร้อน และลดขนาดของขด ลวดที่ใช้งานให้มีขนาดเล็กลง แม้ว่าในปัจจุบัน MagLev ที่ใช้ตัวนำยวดยิ่งสำหรับสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูง จะยังอยู่ในช่วงทดสอบการใช้งานแต่ก็มีแนวโน้มจะสามารถใช้ขนส่ง ในเชิงพาณิชย์ได้ในอนาคต

Magnetic Resonance Imaging (MRI) คือ เครื่องมือที่ใช้สำหรับสร้างภาพอวัยวะภายใน ร่างกายโดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูงและความถี่ในย่าน ความถี่วิทยุ (Radio frequency) ด้วยการส่งคลื่นความถี่เข้าสู่ ร่างกายและรับคลื่นสะท้อนกลับ แล้วนำสัญญาณที่ได้มาประมวลผล ด้วยคอมพิวเตอร์ ทำให้ได้ภาพอวัยวะภายในของร่างกาย เช่น สมอง กระดูกสันหลัง ตับ ไต ที่มีความคมชัด สามารถแยกเนื้อเยื่อต่างๆ ของร่างกายได้อย่างชัดเจน ทำให้มีความถูกต้องแม่นยำในการ วินิจฉัยโรคมากยิ่งขึ้น สามารถตรวจเส้นเลือดได้โดยไม่ต้องฉีดสาร ทึบรังสีอีกทั้งยังสามารถทำการตรวจได้ในทุกๆ ระนาบไม่ใช่เฉพาะ แนวขวางอย่างเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT-scan)

สารตัวนำยวดยิ่งได้ถูกนำมาใช้งานในการสร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเสถียรและความเข้มสูงในเครื่อง MRI และ NMR ซึ่งช่วยให้สามารถวิเคราะห์โรคได้อย่างมีประสิทธิภาพจากการสร้างภาพสามมิติ โดยปกติแล้วจะใช้สารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ(Low temperature superconductors)เนื่องจากสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง( high temperature superconductors) ยังมีค่าใช้จ่ายที่มาก มีความเสถียรและความสามารถในการผลิตสนามแม่เหล็กที่ไม่มากพอ แต่การใช้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำก็ต้องแลกมาด้วยการใช้ฮีเลียมเหลว (liquid helium)ในการให้ความเย็น นอกจากใช้สร้างสนามแม่เหล็กในวงการการแพทย์แล้วยังใช้ในวงการวิทยศาสตร์อีกด้วย

เครื่อง NMR มีหลักการทำงาน คือ วัดอัตราการผ่อนคลายของสปินนิวเคลียสของตัวนำยวดยิ่ง สามารถแยกชนิดของตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมกับตัวนำยวดยิงอุณหภูมิสูงได้โดยการดูกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเวลาผ่อนคลายกับอุณหภูมิ ถ้าหากพบยอดการเกิดสูงที่สุดหรือ โคเฮียเรียนพีค(Coherence peak)ที่บริเวณต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติแสดงว่าเป็นตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม ซึ่งตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมจะแสดงสมบัติที่เป็นไปตามทฤษฎี BCS ที่มีกลไกอิเล็กตรอนโฟนอนเป็นกลไกหลัก แต่ในตัวนำยวดยิ่งก็สามารถพบโคเฮเรียนพีคได้ หากตัวนำยวดยิ่งนั้นมีการเจือสารบางอย่าง

ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะแสดงสมบัติความเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวซึ่งเป็นสารให้ความเย็นที่ราคาต่ำกว่าที่ใช้ในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ แต่ปัญหาของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงคือแตกหักได้ง่าย มีค่าใช่จ่ายในการผลิตสูง และไม่สามารถขึ้นรูปเป็นเส้นหรือรูปร่างตามต้องการได้ ดังนั้นสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจึงถูกในไปใช้งานได้ไม่กว้างขวางนัก ดังนี้

ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงได้ถูกนำมาใช้เป็นแม่เหล็กทางวิทยาศาสตร์และทางอุตสาหกรรม เช่น เครื่องMRI เครื่องNMR ซึ่งก็ได้ถูกนำมาใช้งานในเชิงพานิชย์

สิ่งที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงคือ การทนต่อสนามแม่เหล็ก ซึ่งก็สามารถทนได้มากกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ ดังนั้นสารตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ณ จุดเดือดของฮีเลียมเหลว ก็จะทนต่อสนามความเข้มสูงได้มากกว่าในตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิต่ำ

คาดว่าในอนาคตอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์ของตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงจะมีแพร่หลายมากขึ้น ยกตัวอย่างเช่น เครื่องให้ความร้อน หม้อแปลงไฟฟ้า แหล่งกักเก็ยพลังงาน มอเตอร์ เครื่องปั่นไฟ เครื่องเร่งปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น(ITER) และอุปกร์ลอยเหนือแม่เหล็ก เป็นต้น

โครงการตัวนำยวดยิ่งฮอลบรู๊คเป็นโครงการแรกของโลกที่ออกแบบและผลิตสายไฟจากตัวนำยวดยิ่ง และได้ถูกนำมาใช้งานในปลายเดือนมิถุนายนปี 2008 ในแถบชานเมืองของมลรัฐลองไอแลนด์ โดยสายไฟดังกล่าวผลิตด้วยตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูง ถูกฝังอยู่ใต้ดินลึก 600 เมตร ความยาว 99 ไมล์ ผลิตโดยบริษัท อเมริกัน ซุปเปอร์คอนดัคเตอร์ หล่อเย็นด้วยไนโตรเจนเหลว ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายในการส่งถ่ายพลังงานผ่านสายไฟ

บริษัท อเมริกัน ซุปเปอร์คอนดัคเตอร์ (American Superconductor)ได้จัดทำโครงการเทรส อมิแก๊สขึ้นเพื่อเป็นศูนย์กลางทางด้านพลังงานทดแทน โดยวางโครงข่ายสายไฟฟ้าจากตัวนำยวดยิ่งเพื่อสร้างสมดุลทางพลังงานจากสถานีไฟฟ้า 3 สถานี ของสหรัฐอเมริกา(สถานีฝั่งตะวันออก สถานีฝั่งตะวันตก และสถานีมลรัฐเท็กซัส)

แมกนีเซียมไดโบไรด์มีต้นทุนที่ต่ำกว่าตัวนำยวดยิ่งประเภท BSCCO หรือ YBCO โดยเปรียบเทียบจากอัตราการส่งผ่านกระแสต่อความยาว(ราคา/กิโลแอมป์xเมตร) และในการผลิตสายไฟจากตัวนำยวดยิ่งชนิดนี้ยังมีต้นทุนที่ต่ำกว่าสายทองแดงอีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น แมกนีเซียมไดโบไรด์ ยังแสดงสมบัติความเป็นตัวนำยวดยิ่งที่อุณภูมิสูงกว่าตัวนำยวดยิ่งอุณภูมิต่ำ โดยมีอุณหภูมิวิกฤตที่ 39 เคลวิน อย่างไรก็ตาม แมกนีเซียมไดโบไรด์ ก็ยังไม่สามารถทนต่อสนามแม่เหล็กได้มากนัก ซึ่งในอนาคตยังต้องพัฒนาเพื่อประยุกต์ต่อไป

สคิด (Squid) หรือ Superconducting Quantum Interface Device เป็นอุปกรณ์ตรวจจับสนามแม่เหล็กที่มีความไวสูงมากสามารถวัดแม่เหล็กที่มีความเข้ม 5x10 เทสลาซึ่งเป็นค่าที่ต่ำมากๆต่ำกว่าความเข้มที่เป็นพื้นฐานเสียอีก อุปกรณ์ชนิดนี้มีหลักการทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์โจเซฟซัน (Josephson junctions) ดังนั้นสคิดจึงมีสองแบบคือสคิดกระแสตรง(DC Squid) และสคิดกระแสสลับ(RF Squid) 
สคิดกระแสตรง
ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกในปี 1964 โดยโรเบิร์ต เจคเลวิส (Robert Jaklevic) จอนเจ แลมเบ (John J. Lembe) เจมส์ เมอร์ซีเรียล (James Mercereau) และ อาโนด ซิลเวอร์ (Arnold Silver) หลังจากโจเซฟสัน ได้นำเสนอปรากฏการณ์โจเซฟซันในปี 1962 เพียงสองปี โดยมีหลักการพื้นฐานอยู่บนปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสตรง มีรอยต่อโจเซฟซันสองรอยต่อที่ขนานกันทำให้เกิดวงรอบของตัวนำยวดยิ่ง

สคิดกระแสสลับ
ถูกสร้างขึ้นในปี 1965 โดย โรเบิร์ต เจคเลวิส จอน เจ แลมเบ อาโนด ซิลเวอร์และเจมป์ เอ็ดเวอร์ ไซเมอร์แมน(James Edward Zimmerman) โดยมีหลักการพื้นฐานจาก ปรากฏการณ์โจเซฟสันกระแสสลับ และใช้รอยต่อเพียงรอยต่อเดียว ทำให้มีความไวที่ต่ำกว่า สคิดกระแสตรง แต่ก็มีราคาที่ถูกกว่าและใช้งานได้สะดวกกว่า

ในช่วงแรกๆตัวนำยวดยิ่งที่มาทำสคิด คือ ตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิมที่มีอุณหภูมิวิกฤติต่ำ เช่น ไนโอเบียม ตะกั่วอัลลอย อินเดียม ใช้ฮีเลียมเหลวเป็นสารหล่อเย็น ทำให้ไม่สะดวกในการใช้งาน ต่อมาได้มีการพัฒนามาใช้ตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงกลุ่ม Y-Ba-Cu-O มาทำสคิดทำให้สามารถใช้ไนโตรเจนเหลวในการรักษาความเย็นได้ แม้ว่าจะมีความไวที่น้อยกว่า สคิดที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งแบบดั้งเดิม แต่ก็มีข้อดีในการใช้งานและค่าใช้จ่ายที่ถูกกว่า ทำให้สามารถนำไปใช้ประยุกต์ใช้งานได้สะดวกและแพร่หลายมากขึ้น มีการนำสคิด ไปใช้งานที่หลากหลาย เช่น ใช้ในการทหาร เป็นเครื่องตรวจจับเรือดำน้ำ หรือ เครื่องตรวจจับกับระตัวอักษรหัวเรื่องบิด เครื่องตรวจจับการทำงานของร่างกาย เครื่องตรวจจับการบกพร่องของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
มอร์เตอร์ใช้หลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้าตามหลักการของฟาราเดย์ ดังนั้นมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงก็มีกำลังสูงด้วย แต่อยางไรก็ดีการใช้ทองแดงเป็นตัวนำไฟฟ้าไม่สามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงมากได้ ต้องใช้สายทองแดงมากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพต่ำลงเนื่องจากสูญเสียพลังงานจากความต้านทานของสายไฟ การใช้มอเตอร์ที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งก็จะมีการประหยัดพลังงานได้มากขึ้นและคาดว่าจะมีการผลิตมอเตอร์ที่ทำจากตัวนำยวดยิ่งที่มีกำลังถึง 1000 แรงม้าในไม่ช้า