REPULSE

experimenTÁLNÍ PROJEKT
/ STUDIO FLORIÁN /  FLO(W) /
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
FAKULTA ARCHITEKTURY A URBANISMU 2015
ARCHITEKTURA TVOŘENÁ POUZE ELEKTROMAGNETICKÝM POLEM - ENERGIÍ PLATFORMA UMOŽNUJÍCÍ OVLÁDÁNÍ POZICE VŠECH OBJEKTŮ V PROSTORU POMOCÍ MYŠLENKY
Projekt REPULSE je vizí. Nastiňuje možnost, jak uvažovat o budově, achitektuře, prostředí. Nahrazuje tradiční hmotné stavební prvky magnetickým polem. Vymezuje prostředí a umísťuje do něho objekty pomocí měnné energie. Levitace umožňuje využít prostor ve všech třech dimenzích. Boří plošné schéma, kdy kvůli gravitaci musí být dům stavěn od základů, hrnek musí být položen na stole a stůl stát na podlaze. Pracuje s obrovským množstvím energie pulsující v supravodičích. Projekt se odehrává v čase, kdy se naplnily veškeré teorie supravodivosti a lidstvo ji dokáže využít. Supravodivost byla objevena zhruba před sto lety. Do současnosti bylo provedeno mnoho výzkumů a vzniklo mnoho teorií, které byly často oceněny Nobelovou cenou za fyziku. Přes použití nejnovější techniky jsou pokusy o nastolení supravodivosti při pokojové teplotě zatím neúspěšné. Tento přelomový objev by znamenal technologickou revoluci.I
KEYWORDS: ELECTROMAGNETIC LEVITATION_SUPERCONDUCTIVITY_MAGNETIC FIELD_ELECTROMAGNETIC INDUCITON_ELECTRODYNAMIC SUSPENSION_DIAMAGNETISMS
STUDIO FLO(W)

SUPRAVODIVOST

Supravodivost je jev, při němž materiál neklade žádný zaznamenatelný odpor průchodu elektronů (to má za následek, že nevzniká žádné teplo a proud v materiálu koluje i po odpojení zdroje) a vypuzuje ze svého objemu magnetické siločáry vytvářející silné magnetické pole odpuzující veškeré ostatní magnetická pole. 

TEORIE BCS
V roce 1957 tři američtí fyzikové J. Bardeen, L. Cooper a J. R. Schrieffer vytvořili teorii vysvětlující supravodivost, která se zkráceně nazývá BCS teorie. Říká, že vazba mezi elektrony a kmity krystalové mřížky (fonony) může vést k párování elektronů – přitažlivá interakce. U vodičů a polovodičů v normálním stavu vzájemné působení mezi elektrony a fonony způsobuje elektrický odpor. Elektrony, které nesou elektrický náboj, narážejí na příměsi v krystalové mřížce a rozptylují se na kmitech krystalové mřížky. Proto jsou kovy, které jsou dobrými supravodiči, v normálním stavu špatnými vodiči. V supravodivém stavu zjednodušeně vytvoří elektron při pohybu krystalovou mřížkou kladně nabitou oblast, kam je přitahován druhý elektron. Tato dynamická vazba nastává mezi dvěma elektrony a vytvoří se tak vázaný pár elektronů. Každý z těchto tzv. Cooperových párů je tvořen dvěma elektrony. Vlastností Cooperových párů je, že není možné, aby se jeden Cooperův pár choval nezávisle na ostatních, tzv. koherence. Supravodivost je důsledkem toho, že se Cooperovy páry chovají jako celek. Zatímco srážky elektronů a fononů jsou v normálním stavu nezávislé, v supravodiči jsou vzájemně vázané. Supravodivost je tedy spojena s vysokým stupněm uspořádání elektronů. Indukovaný elektrický proud zůstává v supravodiči až do té doby, dokud není supravodivý stav nějakým způsobem rozrušen. Autoři této teorie, Bardeen, Cooper a Schrieffer, podle nichž je také pojmenována, za ni obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1972.

MATERIÁLY
Supravodivost byla časem zjištěna i u mnoha dalších materiálů, v orga-
nických sloučeninách, v oxidech. Kritické teploty přechodu do supravodivého stavu v objevovaných materiálech nadále narůstaly. Nárůst kritické teploty narostl až do výše 23,2 K, ale dále se nedařilo tuto hranici prolomit. Převratný krok přinesla druhá polovina roku 1986 a rok 1987. Fyzikům se během této doby podařilo navýšit kritickou teplotu na 100 K u stabilních a všechna kritéria supravodivosti splňujících materiálů, u méně stabilních dokonce na teploty daleko větší. Výzkumníci z pobočky IBM Karl Alexander Müller a Johannes Georg Bednorz zjistili ve sloučenině La-Ba-Cu-O supravodivost při teplotě 13 K a výrazný pokles odporu již při 30 K. Ačkoliv jde o kritickou teplotu v rozmezí běžném pro klasické, heliem chlazené supravodiče, objev přinesl převrat v tom, že naznačil, že supravodivost lze hledat i u oxidů keramické povahy, jež se do té doby považovaly za izolanty. Dvojice Bednorz-Müller získala za tento objev v roce 1987 Nobelovu cenu. Jejich předpoklad se potvrdil, když se podařilo výzkumníkům univerzity v Tokiu a Houstonu vytvořit materiál na bázi LaBaCuO s kritickou teplotou 35 K. Ve stejnou dobu fyzici z Bellova komunikačního systému zvýšili teplotu na 40 K. Houstonské univerzitě se v lednu 1987 podařilo působením tlaku na materiál na bázi LaSrCuO zvýšit kritickou teplotu na 52 K.

VODIČ TYPU I A II
Postupně bylo objeveno, že existují dva druhy supravodičů. 
Supravodiče I. typu byly objeveny dříve a vysvětluje je BCS teorie, platí u nich supravodivé vlastnosti po dosažení menší teploty než Tc (kritická teplota) a dále pro ně platí Meissner-Ochsenfeldův jev, což znamená, že jsou také ideálními diamagnetiky.
Existují však také supravodiče II. typu – nejrůznější slitiny kovů i kompozitní materiály obsahující měď a nekovové složky, které supravodivé vlastnosti vykazují i ve velmi silných magnetických polích a ke ztrátě supravodivosti dochází při stokrát i vícekrát silnějších magnetických polích než u I. typu. 

SOUČASNÉ VYUŽITÍ
Této vlastnosti se dá využít v setrvačnících, které se dnes vyvíjejí pro stabilizaci polohy družic. Vesmírné teploty jsou výhodně nízké, čili odpadává starost o chlazení. Ke stabilizaci dochází při vychýlení osy setrvačníku z původního směru. Tyto setrvačníky by mohly být zdrojem kinetické energie, převeditelnou na elektrickou a mohly by tak zásobovat vesmírnou stanici

EFEKTIVNÍ PŘENOS ELEKTRICKÉ ENERGIE
Kdyby se při přenosu elektřiny místo hliníkového nebo měděného vedení použilo vedení supravodivé, nemuselo by se kvůli omezení přenosových ztrát používat vysokého napětí, které je poté snižováno. Supravodivé magnety jsou také mnohem výhodnějšími generátory elektřiny než typické generátory. V poměru je efektivnost supravodivého generátoru 99%, zatímco typického dvakrát méně (tzn. cca 90 až 98%), a to při dvojnásobně menší velikosti supravodivého generátoru. US Department of Energy testuje generátory a rozvody. Pirrelli Wire vyrobil 150 stop dlouhý rozvod elektrické energie za použití vysokoteplotních supravodičů.

MAGLEV
Jedním z využitím supravodivosti jsou levitující vlaky MAGLEV. Na bocích vagónů má tento vlak supravodivé cívky, které kolem sebe vytváří silné magnetické pole. Toto pole interaguje s polem na bocích kolejiště (vzdáleno od soupravy 10mm) tak, že se vlak vznáší 150 mm a pohybuje se. V současné době se tyto vlaky dokážou pohybovat až rychlostí 500 km/h, ale jejich náklady na chlazení jsou zatím příliš vysoké. V Japonské prefektuře Jamanaši je v provozu testovací trať. USA zatím testuje 2 projekty, první vlak vede přes Pennsylvanii a Pittsburgh, druhý Camden Yards v Baltimoru, Maryland, Baltimore-Washington letiště a Union Station ve Washingtonu D.C. Dále také probíhají testy v Anglii v Birminghamu a v Šanghaji v Číně.

Aby objekt byl schopen levitace v magnetickém poli a měnit polohu, musí mít určité vlastnosti. Pro definování potřebných modifikací vyjdeme z vlastností supravodičů a jejich chování unitř silového pole. 

SUPRAVODIVÁ LEVITACE
Prvním příkladem aplikace supravodivosti je supravodivá levitace. Využívá se u ní elektrické indukce supravodiče a jeho nulového měrného odporu. Každý materiál, který se nalézá v magnetickém poli, indukuje stínící vířivé proudy, které se snaží o odstínění vnějšího magnetického pole ze svého objemu. Čím větší má materiál měrný odpor, tím více vířivé proudy vytváří teplo. Vířivé proudy se v tomto důsledku úbytku tepla tlumí a do objemu projde magnetické pole. U supravodičů je situace jiná. Mají nulový měrný odpor, proto nedochází k žádnému úbytku tepla a tím se netlumí stínící vířivé proudy. To způsobuje, že vnější magnetické pole je dokonale odstíněno. Při jakékoliv změně vnějšího magnetického pole, tedy nejen zvýšení, ale i snížení a dokonce i při změně orientace nebo rozložení, dojde k vybuzení stínících proudů na povrchu supravodiče, což způsobí, že se supravodič snaží vykompenzovat danou změnu. Důsledkem toho je způsobeno, že magnet na tomto místě „za-
mrzne“ a ať pohneme s magnetem jakýmkoliv směrem, je magnet tažen do své původní polohy. Magnet se tak může vznášet nad supravodičem, ale stejně tak může pod supravodičem viset. Tato poloha je vcelku stabilní a magnet unese i značnou zátěž.

MESSNERŮV JEV
Jedná se o kvantový jev, kdy objekt vypuzuje veškeré magnetické sily ven ze svého objemu. U supravodičů tak vzniká idelální diamagnetismus umožňující levitaci. Pokud se tedy supravodič umístí do magnetického pole, veškeré siločáry tohoto pole objem supravodiče obtečou, neprochází jím, a tím ho doslova uzamknou v prostoru. Jev je jeden ze zásadních vlastností supravodičů. 

DIAMAGNETISMUS
Podle chování v magnetickém poli rozlišujeme látky na dva typy: paramagnetické a diamagnetické. Paramagnetické materiály jsou přitahované magnetickým polem, proto mají relativní magnetickou permeabilitu větší než jedna – je to např. železo. Vložením diamagnetické látky do vnějšího magnetického pole dojde v látce k zeslabení magnetického pole a pusobí odpudivě. Stabilizaci objektu v magnetickém poli lze docílit pouze odpudivými silamy, které působí proti sobě a objekt levitují. Přitažlivé síly jsou pro stabilizaci velmi nevhodné. Je téměř nemožné nalézt vzdálenost – hranici mezi tím, kdy na objekt pusobí dostatečně velké magnetické pole, které by ho udrželo, a pozicí, kdy objekt začne být dynamicky přitahován ke zdroji, až dojde ke srážce. Supravodiče typu I jsou ideálními diamagnetiky.

DIAMAGNETICKÁ LEVITACE ŽIVÉ ŽÁBY
V roce 2000 získal cenu za fyziku Andre Geim za důkaz možnosti diamagnetické levitace živočichů. Levitace je možná díky vodě obsažené v těle. Voda totiž v magnetickém poli působí diamagneticky (odpudivě, na rozdíl od např. železa). Žába levitovala v magnetickém poli o síle 
16 Tesla vytvořeného supravodičovými magnety.

STABILIZACE A POHYB
K vlastnímu pohybu dochází změnou mag. pole způsobenou úpravou napětí ve vodičích. Síla MP objektu se neustále seřizuje podle velikosti stabilního MP prostoru na trajektorii.
FIG. 01
VODIČI NA TĚLE NEPROCHÁZÍ PROUD, NEVYTVÁŘÍ SE ŽÁDNÉ MAGNETICKÉ POLE. VNĚJŠÍ MAGNETICKÉ POLE NENÍ OVLIVNĚNO A PROCHÁZÍ OBJEMEM TĚLA
FIG. 02
EEG SENZORY ZACHYTÍ MOZKOVÉ VLNY. MYŠLENKA SE V PROCESORU ZPRACUJE A DATA SE BEZDRÁTOVĚ ROZEŠLOU DO ČIPŮ S RESITORY A TERMISTORY
FIG. 03
ČIPY PODLE PŘIJATÝCH DAT UPRAVÍ PROUD/NAPĚTÍ/MAGNETICKÉ POLE VE VODIČÍCH TAK, ABY TĚLO S VNĚJŠÍM PROSTŘEDÍM PŮSOBILO DIAMAGNETICKY A POSTUPNĚ SE ODPUDILO NA CÍLOVÉ SOUŘADNICE
FIG. 04
ELEKTRODYNAMICKÁ SUSPENZE KONTROLUJE POHYB. SBÍRÁ DATA ZE SENZORŮ, V REÁLNÉM ČASE VYHODNOCUJE A POSÍLÁ ZPĚT DO ČIPŮ, KTERÉ UPRAVUJÍ NAPĚTÍ. TAKTO LZE BEZPEČNĚ A PŘESNĚ KONTROLOVAT PŘESUN. (EDS SE V SOUČASNÉ DOBĚ POUŽÍVÁ I U VLAKŮ MAG-LEV, KDE UPRAVUJE VZDÁLENOST PODVOZKU OD MAGNETICKÉ PODLOŽKY.)
FIG. 05
NA CÍLOVÉ POZICI SE VODIČE PŘEVEDOU DO STAVU SUPRAVODIVOSTI – VYGENERUJÍ STÁLÉ SILNÉ MAGNETICKÉ POLE, KTERÉ OBJEKT V PROSTORU UZAMKNE. SILOČÁRY VNĚJŠÍHO POLE TĚLO OBTÉKAJÍ (TZV. MESSNERŮV JEV). 

ELEKTRODYNAMICKÁ SUSPENSE
EDM je forma magnetické levitace vodičů, které jsou vystaveny časově proměnným magnetickým polím. Ty v nich indukují vířivé proudy, které vytváří odpudivé magnetické pole, které drží dva objekty od sebe. Tato proměnlivá magnetická pole umožnijí relativní pohyb dvou objektů. V mnoha případech je jedno magnetické pole permanentní, jako je permanentní magnet nebo supravodivý magnet, a druhé magnetické pole je měnné indukcí. EDS se používá pro maglev vlaky, jako je například japonské SCMaglev. Používá se také pro některé třídy magnetických ložisek.

OVLÁDÁNÍ PROSTORU
Díky vytetované řídící jednotce a bezdrátovému přenosu lze myšlenkou ovládat všechny předměty v prostoru. Synchronizace člověka a daného objektu probíhá obdobně, jako párování bluetooth zařízení. Po uspěšném navázání koincidence se úkony myšlenky převedou na data. Ty se přepočítájí na potřebné magnetické pole, které je nutné, aby objekt vyzařoval, a tak se uvedl do pohybu. Data se odešlou, řídící jednotka objektu je vyhodnotí a nastaví různou indukci proudu na daných místech svého povrchu. Proud vygeneruje potřebné magnetické pole.
Pokud bychom byli schopni ovládat napětí v nanoměřítku, napětí jednotlivých částic, teoreticky bychom byli schopni myslí částice seskupovat do těles.

PROSTŘEDÍ
Prostředí, o kterém hovoříme, je tvořeno magnetickým polem. Toto pole je neviditelné. Jeho vlastnosti lze graficky přesně znázornit. Geometrie reprezentuje napětí, směr, sílu pole.

SYCHOTRON je druh generátoru používaného jako kruhový urychlovač částic. Tyto obří generátory by v budoucnu mohly mít díky supravodičům mnohonásobně měnší rozměry.
Generátor tvoří obdobnou geometrii magnetického pole jako dipólový magnet. Hlavice generátoru je tvořena cívkami supravodiče, které jsou uspořádány do Halbanachova řazení, které do prostoru vyzařuje větší magnetické pole oproti řazení klasickému.
Zdroji magnetického pole jsou generátory. Jejich různé vzájemné natočení a vzdálenost určuje průběh sil. Při uvažování možností supravodivosti, generátory dokážou uchovat napětí a generovat tak silové pole i bez zásobení energií z vnějšího zdroje.

© Dominik Cisar