Superledningens begrænsninger

Elektricitet har været en af de mest transformative teknologier i historien, idet den muliggør transmission af en meget nyttig energiform over lange afstande. Men ethvert “normalt” elektrisk system møder elektrisk modstand, hvilket resulterer i varmeudvikling, når en elektrisk strøm påføres.

Der findes et alternativ: de såkaldte superledende materialer. Superledende materialer har nul elektrisk modstand, hvilket gør det muligt at anvende ekstremt kraftige strømme uden at generere varme.

Uden superledning ville mange moderne teknologier ikke være mulige, herunder partikelacceleratorer (for eksempel CERN), MR‑scannere og maglev‑tog.

Superledning vil være en afgørende komponent i de mest lovende megaprojekter og teknologiske innovationer, såsom ITER og kernefusion, massedriver, kvantecomputere osv.

Strømledninger uden tab kunne også være afgørende for at udvikle ultralange netforbindelser, som hjælper med at bufferere produktionen fra vedvarende energikilder over vejrfølsomhed og tidszoner, og løser nogle af begrænsningerne ved sol‑ og vindenergi.

Problemet indtil nu er, at alle disse anvendelser er baseret på lavtemperatur‑superledning, hvor materialerne kun er superledende, når de køles ned til lave temperaturer som 20 K/-253 °C/-423 °F, hvilket normalt kræver flydende helium.

Dette gør det ikke kun for kompliceret for alle undtagen de mest krævende anvendelser (maglev, MR osv.), men også meget dyrt, hvilket gør det uøkonomisk for mange anvendelser, der kunne drage fordel af superledende materiale eller enhver stor‑skala brug.

Mange veje til superledning

Andre former for superledning end ultra‑kolde materialer kræver konstant meget højt tryk for at materialet forbliver superledende. Dette kan være interessant fra et eksperimentelt synspunkt, men er endnu mindre praktisk for industrielle anvendelser eller i energi‑ og transportinfrastrukturer.

Højtemperatur‑superledning kan blive en mulighed, især med det gådefulde tilfælde af LK-99 (en form af kobber‑substitueret bly‑apatit – CSLA), en ny type superleder ved atmosfærisk tryk og stuetemperatur. Påstanden blev straks betvivlet og kritiseret som en svindel eller målefejl, men andre forskere opdagede derefter, at der måske alligevel sker noget.

Under alle omstændigheder illustrerer LK-99‑sagen, at vi er langt fra at kende alt om, hvad der gør superledning mulig.

For nylig viste den snoede bilag af WSe₂ (tungsten‑selen) også at være en god materialekandidat.

Forskere ved University of Houston, University at Buffalo, University of Illinois, National Sun Yet‑Sen University (Taiwan) og Intellectual Venture udvider området for mulige superledende materialer yderligere ved at fjerne behovet for højt tryk, bortset fra under fremstillingen af materialet.

De offentliggjorde deres resultater¹ i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) under titlen “Skabelse, stabilisering og undersøgelse ved atmosfærisk tryk af trykinduceret superledning i Bi0.5Sb1.5Te3”.

Superledning & tryk

Sammenhængen mellem højt tryk og superledning har været undersøgt i mere end 30 år nu, siden deres første opdagelse i 1993. Det, der sker, er, at trykket ændrer materialets atomære adfærd, hvilket igen påvirker dets elektriske egenskaber.

“I 2001 mistænkte forskere, at påføring af højt tryk på BST ændrede dens Fermi‑overfladetopologi, hvilket førte til forbedret termoelektrisk ydeevne.

Den forbindelse mellem tryk, topologi og superledning vækkede vores interesse.

Pr. Liangzi Deng – Forsker ved University of Houston

Pr. Deng (left) and Pr. Chu (right) – Kilde: University of Houston

Problemet er, at for at et materiale skal være nyttigt til industrielle anvendelser, skal det normalt udvise interessante egenskaber i en metastabil tilstand, så det kan bevare disse egenskaber under “normale” forhold.

Indtil nu har kravet om meget højt tryk ikke kun hæmmet studiet af materialer, der er superledende under disse forhold, men også gjort fremtidige praktiske anvendelser meget svære at opnå, da det ikke ville fungere at holde et kabel, en magnet eller en jernbanekomponent under så ekstreme trykforhold, og det er endnu mindre praktisk end de ultra‑kolde betingelser, der kræves for de superledere, der i øjeblikket anvendes.

Højtryks‑afkøling

At opretholde superledningsegenskaberne ved normalt tryk er, hvad forskerne netop har opnået.

For at gøre dette brugte de et specielt halvledermateriale kaldet BST (Bismuth‑Antimony‑Tellurium / Bi_0.5Sb₁.5Te₃). Under tryk op til ca. 50 GPa (Gigapascal), eller 500.000 gange stærkere end atmosfærisk tryk (1 bar), viser BST tre superledende faser (BST‑I, -II og -III), hvor den første dukker op ved 4 GPa.

Forskerne udviklede en procedure kaldet tryk‑afkølings‑protokol (PQP), som gør det muligt, at den trykinducerede fase vedvarer ved stuetemperatur.

Ikke kun blev BST‑I‑fasen bevaret, men også BST‑II‑ og -III‑faserne.

De brugte en diamantanvil for at nå det nødvendige ekstreme tryk.

Kilde: University of Houston

De elektriske og magnetiske egenskaber blev analyseret ved hjælp af et meget følsomt instrument kaldet Magnetization Property Measurement System (MPMS).

Kilde: University of Houston

Forbedring af driftstemperaturen

Ved testning var disse superledende faser ikke kun oprindeligt stabile ved normalt tryk, men bevarede også disse tilstande over tid og ved eksponering for højere temperaturer.

Dette betyder dog ikke, at det er en superleder ved stuetemperatur, kun at faserne er stabile ved normalt tryk og kan udvise reel superledning, når de afkøles.

BST er kendt for at udvise superledning ved 10,2 K (-262,9 °C / -441,3 °F). Forskerne fandt, at både depressureringen og tryk‑afkølings‑protokollen forbedrede BST’s overgangstemperatur, hvilket gør den til et godt valg for at forbedre eksisterende superledende materialer.

“Dette eksperiment demonstrerer tydeligt, at man kan stabilisere den højtryk‑inducerede fase ved atmosfærisk tryk via en subtil elektronisk overgang uden en symmetrisk ændring, hvilket giver en ny vej til at bevare de ønskede materialefaser og værdier, som normalt kun eksisterer under tryk.

Pr. Paul Chu – Forsker ved University of Houston

Fremtidige anvendelser

Selvom det ikke umiddelbart skaber superledende materiale, åbner det vejen for en ny metode til at opdage og designe superledende materialer.

Indtil nu har højtryks‑superledning haft meget få praktiske anvendelser, og en superleder ved stuetemperatur skulle udvise denne egenskab uafhængigt af trykets påvirkning.

Hvis tryk‑afkølings‑protokollen kan generaliseres, kan den hjælpe med at stabilisere lovende superledende materialer under normale forhold, som hidtil kun har fungeret ved højt tryk.

“Interessant nok afslørede dette eksperiment en ny tilgang til at opdage nye materietilstande, som oprindeligt ikke findes ved atmosfærisk tryk eller endda under højtryksforhold.

Det demonstrerer, at PQP er et kraftfuldt værktøj til at udforske og skabe ukendte områder af materialers fasediagrammer.

Pr. Liangzi Deng – Forsker ved University of Houston

Det kunne også forbedre kendte superledere, så deres overgangstemperatur bliver højere.

Dette kan åbne vejen for successive tilstande, så det bliver muligt at skabe en superleder, der kan fungere ved “kun” 78 K (-195 °C / -319 °F), dvs. kogepunktet for flydende nitrogen, et meget lettere håndterbart kølemiddel end flydende helium, som for eksempel i øjeblikket anvendes i ITER’s superledende magneter.

Superledningsvirksomhed

AMSC er en virksomhed, der leverer energiløsninger til elnettet, skibe og vindenergi. Generelt kræver jo mere strømkrævende eller massiv et system er, desto mere har det brug for superledningsteknologi for at undgå overophedning.

På trods af sit navn leverer ASMC ikke kun superleder‑systemer, men også for eksempel gear‑drivlinjer til vindmøller.

Virksomheden drager fordel af flere vækstdrivere, fra trenden med elektrificering og digitalisering (inklusive AI‑datacentre), men også fra hjemflytning af amerikanske produktionskapaciteter og behovet for flåder i den engelsktalende verden til at modernisere som svar på stigende geopolitiske risici.

Kilde: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

I segmentet for strømforsyning har AMSC oplevet en stabil stigning i ordrer. Dette er drevet af halvlederfabrikker, der ønsker beskyttelse mod svingninger i elnettet, hjælper nettet med at håndtere den intermitterende karakter af vedvarende energikilder samt strømforsyning og kontrol på industrielle anlæg.

Kilde: American Superconductor Corporation

I vindmøllesegmentet er AMSC primært aktiv med Electrical Control System (ECS). Historisk set var ESC et stærkt segment for virksomheden med 2 MW vindmøller, men det er gradvist faldet. AMSC sigter mod en genopretning takket være det nye 3 MW turbine‑design med særlig fokus på det indiske marked.

Kilde: American Superconductor Corporation

Til militære skibe leverer ASMC “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, et system der ændrer skibenes magnetiske signatur for at beskytte dem mod søminer. Dette sælges til de amerikanske, canadiske og britiske flåder, med ordrer på i alt 75 millioner USD indtil videre.

Samlet set klarer ASMC sig bedst ved at udnytte superledningsteknologi i niche‑applikationer, der er levedygtige i dag, mens de sandsynligvis er klar til at implementere yderligere fremskridt i fremtiden. Investorer bør også bemærke, at aktien har oplevet ekstrem volatilitet tidligere, og beregne risiciene derefter.

Studierreferencer:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Skabelse, stabilisering og undersøgelse ved atmosfærisk tryk af trykinduceret superledning i Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}