ทำไมต้อง Superconductor

ถ้าพูดถึงวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ดีที่สุด คนส่วนใหญ่มักจะลวดทองแดงหรือเงินที่อยู่ในสายไฟ แต่สำหรับสาวกฟิสิกส์อนุภาคแล้ววัสดุนั้นคือ Superconductor หรือในชื่อไทยว่า ตัวนำยิ่งยวด นั่นเอง

ตัวนำไฟฟ้าทั่วไปเช่น ลวดทองแดง ซึ่งต่อไปนี้จะขอเรียกว่า ตัวนำ เฉยๆเพราะขี้เกียจพิมพ์ยาวๆ ถ้าพิจารณาโครงสร้างของมันในระดับอนุภาคจะเห็นว่า อะตอมของมันจะก่อตัวเป็นโครงผลึกในลักษณะที่อิเล็กตรอนซึ่งโคจรอยู่รอบๆอะตอมตัวนึงในโครงผลึก เกิดการซ้อนทับกันของอิเล็กตรอนของอะตอมข้างเคียงต่อกันไปเรื่อยๆ จนกลายเป็นเหมือนทะเลของอิเล็กตรอนที่เป็นเนื้อเดียวกันไปหมด

เพราะอิเล็กตรอนในโครงผลึกนี้เกือบจะเคลื่อนที่ได้โดยอิสระ ถ้ามีความต่างศักย์ไฟฟ้าตกคร่อมตัวนำก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าผ่านไปอย่างรวดเร็ว เหมือนกับน้ำในท่อที่พร้อมจะพุ่งออกมาทันที่ที่เปิดก๊อก แต่ความสามารถในการนำไฟฟ้าของตัวนำจะแย่ลงถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นเพราะอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้โครงผลึกสั่นมากขึ้นแล้วไปขัดขวางอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ ซึ่งก็คือความต้านทาน

นอกจากอุณหภูมิแล้วความต้านทานของวัสดุขึ้นอยู่กับสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องของโครงผลึกด้วย ซึ่งนี่เป็นสาเหตุที่เราไม่สามารถเอาฉกสายไฟในบ้านกับฮีเลียมเหลวหนึ่งถังมาสร้าง superconductor ในห้องนอนได้ และยิ่งความต้านทานของวัสดุมากเท่าไหร่ กระแสไฟฟ้าที่สูญเสียไปในรูปของความร้อนก็ยิ่งมากเท่านั้น

นั่นหมายความว่า ถ้าเราผ่านกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่มากพอเข้าไปในตัวนำไฟฟ้าทั่วไปอย่างเช่นลวดทองแดงหรือลวดเงิน กระแสไฟฟ้าที่สูญเสียในรูปของความร้อนนั้นสามารถหลอมตัวนำทั้งเส้นให้ร้อนจนเรืองแสงได้ภายในไม่กี่วินาที

แต่ถ้าเราจำเป็นต้องผ่านกระแสไฟฟ้าปริมาณมากๆเข้าไปในตัวนำเพื่ออะไรซักอย่าง เช่น สร้างสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงๆจากแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดยักษ์สำหรับเครื่อง MRI หรือเครื่องเร่ง/ตรวจวัดอนุภาค คำตอบสำหรับกรณีนี้คือ ใช้ superconductor สิ

โลหะบางชนิดสามารถกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบ เป็นเหมือนตัวนำไฟฟ้าในโลกอุดมคติคือมีความต้านทานเป็นศูนย์ ผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปมากแค่ไหนก็แทบจะไม่สูญเสียหรือไม่สูญเสียไปในรูปของความร้อนเลย ซึ่งคุณสมบัติที่ฟังดูหลุดโลกนี้เรียกว่า superconductivity หรือ สภาพตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด  (มักจะถูกเรียกย่อๆว่า สภาพตัวนำยิ่งยวด)

โลหะชนิดแรกของโลกที่แสดงคุณสมบัติความเป็น superconductor ให้เราเห็นคือ ปรอท ที่อุณหภูมิ 4K (อ่านดีๆ เคลวินนะ ไม่ใช่เซลเซียส) และที่ตามมาติดๆคือตะกั่วที่ 7K และปัจจุบันมีมากกว่าร้อยชนิด และที่สำคัญคือมีพวกที่เป็นเซรามิกผสมพิเศษที่สามารถเป็น superconductor ในอุณหภูมิสูงด้วย ซึ่งไอ้อุณหภูมิสูงที่ว่านี่คือประมาณ 79K นะ (ลองแปลงกลับเป็นองศาเซลเซียสสิ)

จริงๆแล้ว superconductor แบบเซรามิกนี่จริงๆราคาไม่แพงนะ เท่าที่ลองหาดูในเน็ตก็เจอแท่งเล็กๆขนาดกล่องไส้ดินสอราคาประมาณพันห้าแถมยังหักง่ายมากและเปราะบางสุดๆ แต่เพราะว่ามันหล่อเย็นด้วยไนโตรเจนเหลวธรรมดาราคาลิตรละเกือบ 60 บาทได้เลยมีคนซื้อไปเล่นเยอะ ประเด็นคือถังสำหรับใส่ไนโตรเจนเหลวขนาด 5 ลิตรราคาแพงบรรลัย ที่ถูกที่สุดก็ปาไป 33,000 บาท บ้าไปแล้ว แพงกว่าราคาแก้วน้ำกะละมังถังโอ่งทั้งหมดในบ้านรวมกันซะอีก

ลองคิดดูสิว่าตัวนำแบบอื่นต้องใช้ฮีเลียมเหลวแบบที่ใช้ใน LHC ราคาลิตรละ 2,500 บาทแล้วต้องเก็บในถังแบบพิเศษแถมยังต้องมีระบบทำความเย็นนู่นนี่นั่นอีก ค่าไฟส่วนใหญ่ของ LHC ก็มาจากระบบหล่อเย็นนี่แหละ ที่สำคัญคือการระเบิดของฮีเลียมเหลวที่เกิดจากการที่มันเปลี่ยนจากของเหลวเป็นก๊าซนั้นรุนแรงพอที่จะสร้างความวินาศสันตะโรให้แก่พื้นที่บริเวณนั้นเหมือนโดนระเบิด C4 เลยทีเดียว แรงระเบิดของฮีเลียมเหลวที่ว่านี้สามารถยก superconductor หนัก 50 ตันของ LHC ให้ลอยขึ้นเป็นระยะทาง 50 เซนติเมตรเลยทีเดียว ทำให้ LHC ต้องปิดซ่อมเครื่องกันเป็นปีและเปิดใช้งานอีกทีในปี 2010 นั่นเอง

superconductor ที่ใช้ในเครื่องเร่งอนุภาคไม่ใช่ตะกั่วหรือเซรามิกแต่เป็นโลหะผสมนีโอเบียม-ไทเทเนียม (NbTi) ที่จะเป็น superconductor เมื่อลดอุณหภูมิลงไปถึงประมาณ 10K แต่ส่วนใหญ่แล้วมันจะถูกหล่อเย็นให้ทำงานที่อุณหภูมิ 1.9K ที่เย็นกว่าอุณหภูมิในอวกาศ (2.7K) และในตอนที่เดินเครื่อง LHC วันแรกนั้นต้องใช้ฮีเลียมเหลวทั้งหมด 120 ตันในการหล่อเย็นเลยทีเดียว

//บทความอวย LHC ชัดๆ 555