いよいよ実現間近!超電導の世界

かつては夢の技術と言われてきた超電導技術ですが、実用化に向けて着々と技術開発が進められています。特に実用化が進んでいる分野が医療分野です。その一例に、CT検査を超える画像診断装置として注目を集める「MRI」には、低温超電導の技術が活用されています。そして、おなじみの「リニアモーターカー」にも超電導磁石の技術が応用され、走行試験が進められています。

写真提供:JR東海

電気抵抗ゼロとマイスナー効果

水銀の超電導現象

超電導とは、一言で言えば、ある物質を極めて低い温度まで冷やすと、電気抵抗がゼロになるという現象です。1911年、オランダの物理学者カメリン・オンネスが水銀を液化チリウムで冷却したことにより実現した、20世紀科学の最大発見のひとつです。大きな特徴として、(1)電気抵抗がゼロである、(2)マイスナー効果(超電導体に磁場を加えても磁束を侵入させないようにする効果)が観測されるなど、エネルギーを効率的に利用するためには大変有効な特性を持っています。しかし、水銀は4.2K(約-269℃)まで冷却しなければこれらの特性を発揮しないため、実用化を見据えた高温の超電導体実現を目指し、科学者は競って、水銀に変わる新しい物質を探し求めたのです。

化学の力で続々発見された高温超電導体

なかなか成果は挙がらなかったのですが、1987年、一気にブレークスルーを遂げます。まず、アメリカにおいて90K(約-183℃)の超電導体が発見され、以後、右の図に示すとおり、雪崩を打ったかのように続々と高温の超電導体が発見されました。この大きな要因は、高温超電導体の持つ共通の特徴が判明したことにあります。その特徴とは、高温超電導体のほとんどが、銅(Cu)と酸素(O)を基本骨格としていることです。そのため、専門家の間では「銅酸化物超電導体」とも呼ばれています。さらに、Ca, Sr, Baなどのアルカリ土類金属とBi、Hgなどの重金属を用いることができることも分かりました。オンネスの発見から約70年後、化学分野に携わる人達の粘り強い努力により、超電導技術は大きく進歩したのです。

臨界温度(Tc)上昇の変遷

目指すは常温での超電導体

系統安定化電力貯蔵装置(SMES)

さて、電気工学の中で超電導技術の応用が期待される分野は、送配電、変電、電力貯蔵などがあり、「超電導ケーブル」、「系統安定化電力貯蔵装置(SMES)」、「超電導変圧器」などの機器開発に取り組んでいます。また、現在主流となっているビスマス系、イットリウム系の超電導線材を活用したそれぞれの技術開発も進められています。更に将来を見据えると、究極の目標は、「常温での超電導体」の発見にあります。当然、従来の高温超電導体を超える新たな化学組成の発見が求められます。その原点となるのは、高校理科で学ぶ化学と言えるでしょう。

「化学」は「電気工学」の発展を支える

身の回りを化学の視点でとらえると、新鮮な発見があります。環境問題、エネルギー問題の解決など、化学が果たすべき役割はますます重要になっています。電気工学の発展をサポートするのも化学です。

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