تطبيقات الموصلية الفائقة
لقد اكتُشِف منذ فترة طويلة أنه عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، تتغير الخواص الكيميائية لبعض المواد بشكل مفاجئ، فتتحول إلى "موصل فائق" لا يتمتع بأي مقاومة تقريبًا. وتُسمى درجة الحرارة التي تبدأ عندها المادة في اكتساب هذه الخاصية الفريدة "الموصلية الفائقة" بدرجة الحرارة الحرجة. وغني عن القول إن درجة الحرارة الحرجة للمواد المختلفة ليست هي نفسها.
إن درجات الحرارة المنخفضة للغاية من الصعب الحصول عليها، ويدفع الناس ثمنًا باهظًا للحصول عليها، وكلما اقتربت من الصفر المطلق، كلما كان الثمن الذي يتعين عليك دفعه أكبر. وبالتالي، فإن متطلبنا للمواد الفائقة التوصيل هو بالطبع أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة الحرجة، كان ذلك أفضل.
هناك العديد من العناصر التي تتمتع بخواص فائقة التوصيل، والنيوبيوم هو العنصر الذي يتمتع بأعلى درجة حرارة حرجة. وتعتبر السبائك المصنوعة من النيوبيوم، والتي تصل درجة حرارتها الحرجة إلى 18.5 إلى 21 درجة في درجة الحرارة المطلقة، من أهم المواد الفائقة التوصيل في الوقت الحاضر.
لقد قام الناس ذات مرة بتجربة مثل هذه: حلقة من معدن النيوبيوم كانت باردة إلى درجة فائقة التوصيل، وتم توصيلها بتيار كهربائي ثم فصلها عن التيار، ثم تم إغلاق مجموعة الأجهزة بالكامل للحفاظ على درجة الحرارة منخفضة. وبعد عامين ونصف، قام الناس بتشغيل الجهاز ووجدوا أن التيار في حلقة النيوبيوم لا يزال يتدفق، وكانت قوة التيار هي نفسها تقريبًا عندما تم تطبيق الكهرباء لأول مرة!
من هذه التجربة، يمكن ملاحظة أن المواد الفائقة التوصيل لا تفقد أي تيار تقريبًا. إذا استخدمت كابلًا فائق التوصيل لنقل الكهرباء، نظرًا لعدم وجود مقاومة، فلن يكون هناك فقدان للطاقة عند مرور التيار، وبالتالي ستتحسن كفاءة النقل بشكل كبير.
لقد صمم أحدهم قطار ماجليف عالي السرعة، حيث تم تركيب مغناطيسات فائقة التوصيل على عجلاته، بحيث يمكن للقطار بأكمله أن يطفو على المسار لمسافة عشرة سنتيمترات تقريبًا. وبهذه الطريقة، لم يعد هناك احتكاك بين القطار والمسار، مما يقلل من مقاومة التحرك للأمام. يمكن لقطار ماجليف يحمل 100 شخص أن يصل إلى سرعة تزيد عن 500 كيلومتر في الساعة بقوة 100 حصان فقط.
وباستخدام حزام من النيوبيوم والقصدير طوله 20- كيلومتر، ملفوف حول حافة عجلة يبلغ قطرها 1.5 متر، تستطيع اللفات توليد مجال مغناطيسي قوي ومستقر، يكفي لرفع وزن يبلغ 122 كيلوغرامًا ورفعه في الفضاء المغناطيسي. وإذا استُخدم هذا المجال المغناطيسي في تفاعل الاندماج النووي الحراري، وتم التحكم في تفاعل الاندماج النووي الحراري القوي، فسيكون من الممكن تزويدنا بإمدادات كبيرة وغير محدودة تقريبًا من الكهرباء الرخيصة.
كان مولد التيار المستمر في السابق مصنوعًا من مادة فائقة التوصيل من النيوبيوم والتيتانيوم. يتمتع هذا المولد بالعديد من المزايا، مثل الحجم الصغير، والوزن الخفيف، والتكلفة المنخفضة، كما أنه يولد كهرباء أكثر بمئة مرة من المولدات العادية من نفس الحجم.
السبائك الفائقة
يستخدم جزء كبير من النيوبيوم في العالم في الحالة المعدنية النقية أو في شكل سبائك عالية النقاء من الفيرونيوبيوم والنيوبيوم والنيكل لإنتاج سبائك فائقة من النيكل والكروم والحديد. تُستخدم هذه السبائك في المحركات النفاثة ومحركات التوربينات الغازية ومكونات الصواريخ والشواحن التوربينية ومعدات الاحتراق المقاومة للحرارة. يشكل النيوبيوم مرحلة في البنية الحبيبية للسبائك الفائقة. تحتوي هذه السبائك عمومًا على ما يصل إلى 6.5٪ من النيوبيوم. سبيكة Inconel 718 هي واحدة من السبائك المحتوية على النيوبيوم القائمة على النيكل بنسبة 50}٪ نيكل و18.6٪ كروم و18.5٪ حديد و5٪ نيوبيوم و3.1٪ موليبدنوم و0.9٪ تيتانيوم و0.4٪ ألومنيوم. وتشمل التطبيقات استخدامها كمواد عالية الجودة في صناعة هياكل الطائرات، مثل برنامج جيميني.
سبائك أساسها النيوبيوم
C-103 عبارة عن سبيكة نيوبيوم تحتوي على 89% نيوبيوم و10% هافنيوم و1% تيتانيوم، ويمكن استخدامها في فوهات الدفع الصاروخي السائل، مثل المحرك الرئيسي لوحدة أبولو القمرية. تستخدم وحدة خدمة أبولو سبيكة نيوبيوم أخرى. نظرًا لأن النيوبيوم يبدأ في الأكسدة فوق 400 درجة، فيجب وضع طبقة واقية على سطحه لمنعه من أن يصبح هشًا.
التطبيقات الطبية
يحتل النيوبيوم أيضًا مكانة مهمة في العلاج الجراحي، ولا يمكن استخدامه فقط في تصنيع الأجهزة الطبية، بل يعد أيضًا "مادة تكيف بيولوجية" جيدة، لأنه يتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل، ولن يتفاعل مع مختلف المواد السائلة في جسم الإنسان، ولا يتسبب في إتلاف أنسجة الجسم للكائنات الحية تقريبًا، ويمكن تكييفه مع أي طريقة تعقيم، لذلك يمكن دمجه مع الأنسجة العضوية لفترة طويلة والبقاء في جسم الإنسان دون ضرر.