Vastukseton kaapeli siirtää sähköä monta kertaa enemmän kuin perinteinen eikä hukkaa energiaa matkalla.

Teksti: Maria Korteila

Suprajohteet ovat alkaneet yleistyä nopeasti sähkövoimatekniikassa. Tätä on odotettu pitkään, sillä suprajohtavuus keksittiin jo sata vuotta sitten.Suprajohtavuus tarkoittaa ilmiötä, jossa aineen sähkönvastus katoaa äkillisesti tietyn lämpötilan alapuolella. Tavallisessa johteessa, kuten kuparijohdossa, vastus aiheuttaa lämpenemistä. Silloin osa siirrettävästä sähköstä kuluu hukkaan lämpöenergiana.– Suprajohteet ovat olleet hypetyksen kohteena todella kauan, mutta niiden ominaisuuksista ovat päässeet käytännössä nauttimaan lähinnä tutkijat, toteaa suprajohteiden pitkäaikainen kehittäjä Alexis Malozemoff.Esimerkiksi hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa Cernissä suprajohtavat jättimagneetit pitävät hiukkaset kiihdyttimen ympyräradalla. Ainoa merkittävä kaupallinen sovellus ovat tähän saakka olleet magneettikuvauslaitteet.– Nyt suprajohteista alkaa olla todellista iloa erilaisissa käytännön sovelluksissa,  Malozemoff sanoo. Malozemoff tietänee, mistä puhuu, sillä hän on tutkinut suprajohteita vuodesta 1971, julkaissut parisataa tieteellistä artikkelia ja toiminut American Superconductorin tuotekehitysjohtajana liki kaksi vuosikymmentä. Nykyään hän on eläkkeellä mutta toimii yhä yhtiön tieteellisenä neuvonantajana.

Aasia johtaa kysyntää

American Superconductor on yksi suurimmista suprajohtimia valmistavista yrityksistä. Viime syksynä se sai tilauksen, joka tiettävästi on edelleen maailman mittavin: eteläkorealainen LS Cable tilasi kolme miljoonaa metriä yhtiön ykköstuotetta, Amperium-suprajohdinta. Siitä on tarkoitus valmistaa viitisenkymmentä kilometriä sähkönsiirtoverkkoa, jota vaurastuva maa tarvitsee lisää, kun sähkön kulutus kasvaa.Suurin kysyntä näyttää muutenkin tulevan Aasiasta. Etelä-Korea on julistautunut uuden, vihreän energiatekniikan ykkösmaaksi, ja kiinnostus on vahvaa myös Kiinassa. Sen jättiläismäinen talouden elvytyspaketti lisää myös energiayhtiöiden investointeja ja saattaa olla ratkaiseva laukaisija kysynnän nopealle kasvulle.Ja mitä enemmän on kysyntää, sitä enemmän on tuotantoa ja sitä nopeammin suprajohteet halpenevat. Tätä nykyä ne ovat vielä monta kertaa kalliimpia kuin vanhanaikaiset kaapelit.– Vaikka metrihinta onkin aivan eri luokkaa kuin perinteisellä tekniikalla, kokonaissysteeminä suprajohteita käyttävä energiansiirtojärjestelmä on jo kilpailukykyinen, Malozemoff sanoo. Tällöin laskelmissa huomioidaan myös koko, käyttöikä, huolto, tehokkuus ja toimintavarmuus.

Etuja on paljon

Nykyiset suprajohtavat kaapelit pystyvät siirtämään sähköä kolme–viisi kertaa enemmän kuin samanpaksuinen kuparikaapeli. Suurempia virtoja voidaan kuljettaa perinteistä järjestelmää pienemmällä jännitteellä. Tasavirran siirtäminen on täysin häviötöntä. Vaihtovirrassa häviöitä syntyy jonkin verran mutta huomattavasti vähemmän kuin perinteisissä kuparikaapeleissa.Suprakaapeleilla on muitakin isoja etuja kuin parempi tehonsiirto. Ne vievät vähemmän tilaa, ja koska ne eivät synnytä ympärilleen käytännössä lainkaan sähkömagneettisia kenttiä, ne voidaan asentaa hyvin lähelle toisiaan.Suprajohtavuus vaatii jäähdytyksen, joka vie hieman energiaa, mutta osuus on pieni etenkin suuria tehoja siirrettäessä.Jäähdytyksen ansiosta suprakaapelit pysyvät koko ajan vakiolämpötilassa eivätkä kulu samalla tavoin kuin kuparikaapelit. Niissä ei myöskään käytetä öljyä kuten perinteisissä kaapeleissa.Kompaktit suprajohtavat kaapelit voidaan asentaa maanalaisiin putkijohtoihin kuparikaapeleiden tilalle ilman massiivisia rakennustöitä. Ne voivat korvata maanpäällisen ruman suurjännitelinjan, joka vie paljon maa-alaa ja ilmatilaa. Näistä ominaisuuksista on paljon etua etenkin tiheästi asutuilla alueilla.Maan alla sijaitsevat kaapelit ovat myös suojassa säältä – tai terrorismilta.Lisäksi suprakaapeleilla on aivan uusi ominaisuus: ne toimivat itsessään vikavirtojen suodattimina. Suprajohteella on kriittisen lämpötilan lisäksi kriittinen virrantiheys. Kun se ylittyy, suprajohtavuus häviää ja johteesta tulee vastus.Vikavirrat ovat yleisiä häiriötilanteita, jotka pahimmillaan rikkovat laitteita. Niiden suodatus tulee suprajohtaviin kaapeleihin perustuvassa systeemissä ikään kuin kaupan päälle, eikä erillistä suojalaitteistoa tarvita.Toisaalta suprajohtimista voidaan valmistaa erillinen vikavirransuodatin, jos kaapelit pysyvät perinteisinä. Niidenkin kaupallistuminen on alkanut.

Kannustimet koeprojekteista

Koekäytössä suprakaapeleita on ollut ympäri maailmaa jo usean vuoden ajan. Euroopassa niitä on liitetty sähkönsiirtoverkkoon koemielessä ainakin Espanjassa ja Tanskassa. Koeprojekteista merkittävin ja suurin valmistui vuonna 2008 Long Islandille lähelle New Yorkia. Siellä sähköverkkoon on liitetty 600-metrinen 138 kilovoltin sähkönsiirtolinja, jossa kulkee rinnakkain kolme suprakaapelia. Maahan haudattu kaapeli korvaa osan maanpäällistä suurjännitelinjaa. Se on toiminut moitteetta. Hanke osoitti, että suprajohtava kaapeli on helppo liittää sähköverkkoon ja toimii. Suprajohteiden valmistajat ovat moittineet voimayhtiöitä konservatiivisuudesta.Valmistajien mielestä suprakaapelit olisivat yleistyneet jo paljon nopeammin, jos niitä kohtaan ei olisi turhia ennakkoluuloja.

Superasema Tres Amigas

Nyt Yhdysvalloissa on meneillään jättiprojekti, jossa suprajohteilla on merkittävä rooli. Tres Amigas -hanke yhdistää maan kolme erillistä sähkönsiirtoverkkoa yhdeksi kokonaisuudeksi. Tätä nykyä Yhdysvalloissa on kolme sähkönsiirtoverkkoa: itäinen, läntinen ja Texasin alueen verkko. Projektissa aiotaan käyttää suprajohtavia tasavirtakaapeleita, jotka kuljettavat sähköenergian eri lähteistä niin kutsutulle superasemalle. Suprakaapeleiden ansiosta sähköä kannattaa kuljettaa kauempaakin.Asemalla käytetään muuntajia muuttamaan tasavirta vaihtovirraksi ja päinvastoin. Tätä tarvitaan, koska olemassa olevat siirtoverkot toimivat vaihtovirralla, mutta ovat keskenään eri vaiheessa.New Mexicoon sijoittuvan superaseman arvioidaan valmistuvan vuonna 2014. Asemalla on myös älykäs energiavarasto, josta sähköä voidaan siirtää joka suuntaan tarpeen mukaan. Maan kattavaan sähkönsiirtoverkkoon on mahdollista liittää entistä enemmän uusiutuvaa energiaa, kun sähkön siirtäminen kauas tuotannosta on entistä tehokkaampaa. Jos aurinko- ja tuulienergia kasvavat merkittäväksi osaksi alueellista, suppeaa sähköverkkoa, niiden korvaaminen on hankalaa tyyninä ja pilvisinä päivinä.

Aurinkoenergiaa Saharasta

Yksi maailman suurimmista tulevaisuuden energiahankkeista on aurinkosähkön tuottaminen Saharan autiomaassa ja siirtäminen Eurooppaan. Saksalaisvetoinen hanke on saanut Euroopasta sekä rahoitusta että poliittista tukea. Eurooppa voisi tyydyttää jopa neljäsosan sähköntarpeestaan Saharasta siirrettävällä aurinkosähköllä, mutta tekniikka ei ole vielä ollut kypsää. Aurinkopaneelien hyötysuhteessa on edelleen paljon parantamisen varaa, mutta suurin kompastuskivi on ollut sähkönsiirto. Perinteisellä tekniikalla hävikit olisivat liian suuria, mutta suprajohtaviin kaapeleihin perustuva sähkönsiirto voi tulevaisuudessa ratkaista ongelman.

Tuplasti tuulesta

Kaapelit ja vikavirranrajoittimet eivät ole uusien suprajohteiden ainoita energiasovelluksia. Niistä voidaan valmistaa myös muuntajia, generaattoreita, moottoreita ja magneettisia energiavarastoja. Yksi lupaavimmista sovelluksista ovat tuulivoimaturbiinit. Malozemoff uskoo, että suprajohteiden avulla tuulienergian tuotanto kaksinkertaistuu nopeasti. Suprajohtavuutta hyödyntävät generaattorit ovat pienempiä niin kooltaan kuin painoltaankin, mikä parantaa niiden hyötysuhdetta. Ne eivät myöskään vaadi vaihdelaatikkoa, joka on tavallisissa tuulivoimageneraattoreissa arin osa. American Superconductorin valmistama kymmenen megawatin tuuliturbiini tuottaa kaksi kertaa enemmän energiaa kuin puolet isompi tavanomainen tuuliturbiini.Yhtiön tuulivoimateknologia kehittyy myös suomalaisvoimin. Yhtiö osti maaliskuussa suomalaisen The Switch Engineeringin. Lähes 300 ihmistä työllistävä The Switch kehittää uuden sukupolven tehonmuokkaimia ja kestomagneettigeneraattoreita, joita käytetään tuulivoimaloissa.

Toimii ilman teoriaakin

Huoneenlämmössä suprajohtavuus saadaan aikaan vain, jos huone on Kuussa.

Suprajohtavuuden löysi hollantilainen Heike Kamerlingh Onnes vuonna 1911 tutkiessaan elohopean sähkönjohtavuutta. Hän havaitsi yllättäen, että metalleihin kuuluvan elohopean sähkönvastus katosi kokonaan, kun sitä jäähdytettiin riittävän kylmäksi, lähelle absoluuttista nollapistettä. Tähän saakka oli ajateltu, että metallin vastus pienenee lämpötilan laskiessa, mutta vastuksen äkillistä häviämistä ei osattu odottaa.Perinteisissä eli niin sanotuissa matalan lämpötilan suprajohteissa vastus häviää alle 30 kelvinissä eli –243 celcius-asteessa. Vuonna 1959 esitettiin teoria, jonka mukaan suprajohteissa elektronit muodostavat niin kutsuttuja Cooperin pareja. Ne voivat edetä häviöttömästi kidehilassa, jonka lämpöliike on riittävän vähäinen. Teoria ei kuitenkaan selitä suprajohtavuutta muissa kuin metalleissa. Uudet, niin sanotut korkean lämpötilan suprajohteet ovat kuparin oksideja tai muita kemiallisesti hyvinkin monimutkaisia yhdisteitä. Niiden suprajohtavuudelle ei ole vielä löytynyt varmaa selitystä. Korkein lämpötila, jossa suprajohtavuus on toistaiseksi havaittu, on 138 kelviniä eli –135 celsiusastetta.Käytännön sovellusten kannalta ratkaiseva ero perinteisten ja uuden sukupolven suprajohteiden välillä on se, että matalimmissa lämpötiloissa suprajohtavuuden aikaansaamiseksi tarvitaan heliumjäähdytystä, hieman korkeammissa lämpötiloissa riittää nestemäinen typpi. Helium on kallista, typpi ei. Typpeä voidaan nesteyttää suoraan ilmasta.

Teepä johto keraamista

Toinen ero on, että perinteiset suprat ovat metalleja, kun taas uuden sukupolven suprajohteet ovat rakenteeltaan keraameja. Se on ollut suurin hidaste suprajohtimien kehityksessä. Äärimmäisen hauras keraami ei ole helpoin materiaali, kun halutaan saada aikaan pitkä, ohut ja taipuisa johdin.Aluksi suprajohtimia valmistettiin viemällä suprajohtavaa materiaalia jauheena hopeaputkeen, joka suljettiin päistä ja käsiteltiin hyvin ohueksi. Jauhetta oli kuitenkin vaikea saada putkeen tasaisesti, eikä sen sähkönjohtavuus- ja magneettisuusominaisuuksia saatu helposti tasalaatuisiksi ja täysin hallittaviksi. Lisäksi hopeaa tarvittiin paljon, mikä teki johtimista hyvin kalliita.Nyt yleistyvät suprajohtimet on valmistettu täysin toisella tekniikalla. Niissä suprajohtavat yhdisteet kasvatetaan nanotasolla alustalle monikerrosrakenteeksi, joka päällystetään ohuella hopeakerroksella. Rakenteen vahvistamiseksi johdin laminoidaan ohuesti esimerkiksi kuparilla. Näin syntyy nauha, joka kestää taivuttamista.  Kesti vuosikausia, että valmistamisen kustannukset saatiin teollisesti järkevälle tasolle. Nyt tähän on päästy, ja valmistajia on useissa maissa. Nykyiset kaupalliset sovellukset eivät siis vaatineet uusien materiaalien löytämistä ja suprajohtavuuden teorian selviämistä vaan valmistustekniikan sitkeää ja pitkäjänteistä kehittämistä.

Huone Kuussa, yöllä

Huoneenlämmössä häviöttömästi johtavan yhdisteen metsästäminen jatkuu edelleen. Valitettavasti uusien suprajohteiden etsiminen on hakuammuntaa, koska toistaiseksi kukaan ei ole pystynyt selittämään, mistä keraamiyhdisteiden suprajohtavuus aiheutuu.Uusimmat tutkimukset antavat viitteitä siitä, että ilmiö liittyy magnetismiin. Lopullisen totuuden löytämiseen saattaa mennä vuosikausia. Osa tutkijoista uskoo, että huoneenlämmössä johtavia suprajohteita ei ole edes olemassa vaan ilmiö esiintyy vain matalissa lämpötiloissa.Tähänastinen lämpöennätys on 135 pakkasastetta. Huoneenlämpö ei siis ole lähelläkään – paitsi jos kyseinen huone sijaitsee Kuussa ja on yö. Niin tapaa vitsailla yksi suprajohtavuuden johtavista teoreetikoista, professori Jörg Schmalian.Mielenkiintoisia tutkimustuloksia kyllä putkahtaa esiin tavan takaa. Tänä vuonna rauta-arsenidiyhdisteiden suprajohtavia ominaisuuksia on saatu paremmiksi upottamalla ne toviksi punaviiniin ja ei-suprajohtavasta materiaalista on saatu suprajohtava voimakkaan lasersäteen avulla.Suprajohtavuutta tutkii tuhansia fyysikoita ympäri maailmaa. Yhdysvaltain tiedeviikolla Princetonin yliopiston professori Robert Cava sanoi toivovansa fyysikoiden ja kemistien yhteistyötä. Monet uusimmista suprajohteista ovat niin monimutkaisia yhdisteitä, että molempien tieteenalojen paras osaaminen olisi saatava samaan huoneeseen.Joka tapauksessa se, joka ratkaisee suprajohtavuuden salat, saa takuuvarmasti nobelin.

Julkaistu Tiede -lehdessä 4/2011

Jos rehkiminen ei huvita, syy voi olla geeneissä.

Monia liikunta palkitsee hyvän olon tunteella, mutta kaikille palkintoa ei tule, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan. Olo saattaa olla hikilenkin jälkeen enemmän runneltu kuin rento.

”Osa suomalaisten liikkumattomuudesta saattaa selittyä negatiivisilla tuntemuksilla”, sanoo jutussa liikuntapsykologian professori Taru Lintunen Jyväskylän yliopistosta.

Ihmiseltä saattavat puuttua hyvät kokemukset ja liikunnallisen elämäntavan mallit.

Perimälläkin on sormensa pelissä. Naisilla jopa puolet liikuntanautinnon vaihtelusta selittyy geeneillä, miehillä kolmannes.

Näin osoittaa vuonna 2014 julkaistu suomalainen tutkimus, joka perkasi perintötekijöiden osuutta liikuntamotivaatioon.

Tarkkaa syytä eroihin ei tiedetä. Yksi ehdokkaista on aivojen dopamiinirata. Se palkitsee niin syömisestä, seksistä kuin liikunnasta.

Dopamiinikylpy tuottaa aivoissa huumaavan euforian. Tutkimusten mukaan järjestelmän häiriöt vähentävät koe-eläinten liikkumishaluja.

Viime kädessä geenit ohjaavat mielihyväkoneiston toimintaa. Dopamiinin valmistukseen tarvittavat geenit toimivat toisilla kenties vilkkaammin. Erityisesti naisilla on liikuntamielihyvän kokemisessa geneettistä vaihtelua.

Yksilöiden erot ulottuvat laajemmallekin. Kaikki eivät saa liikunnasta yhtä paljon hyötyä – ainakaan heti.

Sama harjoittelu saattaa vaikuttaa ihmisiin eri tavoin. Yhden kunto kasvaa kohisten, mutta toinen ei saa tuloksia, vaikka kuinka rehkisi. Tutkijat puhuvat yksilöllisestä vasteesta.

Kuitenkin vaikka oma elimistö tuntuisi olevan immuuni liikunnalle, se voi olla vain harhaa. Tutkimuksissa tuijotetaan usein suorituskykyyn ja lihasvoimaan. Ne eivät ehkä hetkahda pienestä rasituksesta, mutta veren rasva- ja sokeriarvot saattavat parantua merkittävästi. Siksi liikuntaa voi suositella kaikille.

Kysely

Onko liikunta tuskien tie?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.