リニア中央新幹線が時速500キロで東京大阪間を約1時間で結ぶ未来は、多くの人々の関心を集めています。その高速走行を支える基盤技術こそが「超伝導」です。しかし、この超伝導が単にリニアモーターカーだけでなく、私たちの生活を劇的に進化させる可能性を秘めた、まさに革命的な新技術であることをご存じでしょうか。今こそ、その驚くべきメカニズムと無限の応用範囲を深く理解する時です。
送電ロスゼロを実現する「超伝導」の可能性
現代社会において電気は不可欠なエネルギー源ですが、発電所から工場や各家庭へ電力が供給される過程で、約5％もの電力が失われているという事実をご存じでしょうか。これは「送電ロス」と呼ばれ、送電線内の電気抵抗によって電気が熱に変わり、消費されてしまう現象です。日本全体で見ると、この送電ロスによって失われる電力は、原子力発電所約6基分に相当すると言われています。もしこの送電ロスをなくすことができれば、莫大なエネルギーの節約となり、環境負荷の軽減にも大きく貢献するでしょう。
この課題に対する画期的な解決策が、送電線に超伝導材料を使用することです。超伝導とは、文字通り「電気抵抗ゼロ」の状態で電流が流れる現象を指します。電気抵抗がないため、電力が熱として失われることがなく、送電ロスが完全に解消されるのです。さらに、電流が流れる際に発生する磁場を利用して強力な磁石を作り出すことが可能になり、リニアモーターカーのような高速輸送システムだけでなく、医療分野では体内の詳細な画像診断を可能にするMRI（核磁気共鳴画像法）など、幅広い分野での応用が期待されています。
超伝導現象の発見とその特性
超伝導という驚くべき現象は、量子力学が確立される以前の1911年、オランダの物理学者ヘイケ・カメルリン・オンネスによって偶然にも発見されました。彼は水銀を冷却していく実験の中で、摂氏マイナス268.8度という極めて低い温度（絶対温度で4.2度）に達した途端、電気抵抗が突如としてゼロになることを発見したのです。この発見以降、超伝導現象は科学界の大きな注目を集めました。
オンネスの発見に続き、彼は他の金属でも同様に極低温（絶対温度で零度に近い温度）において電気抵抗が消失することを発見し、この現象が特定の物質に限られたものではなく、比較的一般的なものであることを示しました。また、1933年にはドイツの物理学者ウォルター・マイスナーが、超伝導物質（超伝導体）に外部から磁場をかけると、その磁場が超伝導体の内部に侵入できないという特異な現象を発見しました。これは「マイスナー効果」として知られ、超伝導体が磁石を避けようとする力、すなわち磁気浮上を可能にする原理の根幹をなすものです。
超伝導技術の可能性を示すイメージ画像
金属が超伝導状態になるメカニズム：BCS理論
なぜ金属が極低温で超伝導状態になるのかは、長年にわたり科学界の大きな謎でした。しかし、この謎は1957年、アメリカの物理学者ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ロバート・シュリーファーの3人によってついに解明されました。彼らの功績は、その頭文字をとって「BCS理論」として今日まで語り継がれています。
原子は、正の電荷を持つ原子核の周囲を複数の電子が取り巻く構造をしています。これらの電子は、そのエネルギーレベルに応じて原子核の周りの特定の領域、すなわち「電子殻」に配置されています。その中でも、最も外側の電子殻に位置する電子は「最外殻電子」と呼ばれます。金属においては、多数の原子が互いの電子殻が接するように規則正しく並び、その結果、最外殻電子が広範囲を自由に動き回れるようになります。BCS理論は、このような自由電子が極低温下で特殊な相互作用を起こし、「クーパー対」と呼ばれる対を形成することで、電気抵抗なしに移動できるようになるというメカニズムを提唱しました。
超伝導は、単なる科学現象に留まらず、送電ロスゼロの実現、高速鉄道、革新的な医療診断技術など、私たちの社会に計り知れない恩恵をもたらす可能性を秘めた未来技術です。その基本的なメカニズムと応用を理解することは、これからの技術革新の方向性を知る上で非常に重要となるでしょう。
参考文献
- 二間瀬敏史 著『量子テレポーテーションで人間は転送できるか？やさしく読める量子力学』さくら舎
