Fremskridt inden for superledning baner vejen for en ny teknologisk revolution

Begrænsninger for superledning

Elektricitet er en af historiens mest gennemgribende teknologier og gør det muligt at transportere energi over lange afstande. I almindelige ledere giver elektrisk modstand dog energitab i form af varme, når der løber strøm.

Superledende materialer kan føre jævnstrøm uden elektrisk modstand under bestemte betingelser. Det kan begrænse resistiv opvarmning og gøre meget stærke elektromagneter mulige. Superledning betyder altså ikke, at materialet ikke kan skabe et kraftigt magnetfelt. Køling, vekselstrøm og andre dele af et praktisk system kan fortsat medføre energitab.

Superledning er vigtig i mange partikelacceleratorer, MR-scannere og visse magnetiske svævetog. Ikke alle systemer i disse kategorier kræver dog superledere.

Mange af disse anvendelser kræver kryogen køling. Driftstemperaturen afhænger af materialet og konstruktionen og kan ligge omkring 4 K eller 20 K. 20 K svarer til cirka -253°C/-423°F. Traditionelle lavtemperaturmagneter bruger ofte heliumkøling.

For nogle anvendelser som magneter i eksperimentelle fusionsreaktorer kan den nødvendige temperatur være så lav som 4 K (kun 4 grader over det absolutte nulpunkt), selvom dette forbedres (se nedenfor).

Så lave temperaturer kræver kompliceret udstyr og energi til kølingen. Det begrænser, hvor superledning er teknisk og økonomisk attraktiv.

Højtemperatur-superledning

Derfor er materialer, som forbliver superledende ved højere temperaturer, interessante. I denne sammenhæng kan “høj temperatur” stadig betyde cirka -185°C til -135°C. Nogle højtemperatursuperledere kan køles med flydende kvælstof, mens andre kræver lavere temperaturer, afhængigt af blandt andet strøm og magnetfelt.

En robust superleder, der kunne fungere nær frysepunktet eller ved stuetemperatur og normalt tryk, ville mindske kølebehovet betydeligt. Det er et forskningsmål, ikke en egenskab, som LK-99 har fået påvist.

Superledning ved stuetemperatur

Sommeren 2023 fik en nyhed stor opmærksomhed efter offentliggørelsen af fortrykket “Den første superleder ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk”. Forfatterne hævdede, at LK-99 var superledende op til mindst 127°C/260°F. Materialet var en kobbersubstitueret blyapatit, også kaldet CSLA. Påstanden var foreløbig og blev ikke etableret som et reproduceret gennembrud.

Kobberkrystaller – Kilde: DOE

Opmærksomheden førte også til kraftige udsving i aktier med forbindelse til superledning. Artiklen omtalte eksempelvis en stigning på omkring 60% i American Superconductor (AMSC ). Kursbevægelsen dokumenterede ikke LK-99’s egenskaber.

Påstanden blev hurtigt udfordret, og uafhængige forsøg bekræftede ikke den hævdede superledning.

Forskningen i LK-99

I januar 2024 omtalte medierne nye forsøg med kobbersubstitueret blyapatit og mulige tegn på superledning. Blandt resultaterne var magnetiske målinger under 250 K. Sådanne foreløbige observationer er ikke i sig selv bevis for superledning ved stuetemperatur.

Holdene brugte forskellige fremstillingsmetoder. Det udelukker ikke urenheder, magnetiske effekter eller målefejl som forklaring. Superledning kræver samlet dokumentation, herunder troværdige målinger af elektrisk modstand og magnetisk respons.

Der var derfor ikke grundlag for at betragte LK-99 som en bekræftet superleder. Vanskelig fremstilling kan komplicere forsøg, men negative resultater kan ikke afvises alene med henvisning til en ineffektiv proces.

Diskussionen viser, hvorfor uafhængig reproduktion og kontrol af prøvernes sammensætning er afgørende.

Medieomtalen fremhævede, at prøverne kunne indeholde en stor andel materiale, der ikke blev hævdet at være superledende. Det blev foreslået som en mulig forklaring på vanskeligheder ved testene.

En prøve fremstillet i november 2023 blev ifølge omtalen først vurderet som ubrugelig og var flere gange tæt på at blive kasseret. Historien er ikke en uafhængig bekræftelse af superledning.

Kilde: Tom’s Hardware

Potentiale for superledning

Selv uden en superleder ved stuetemperatur ville drift ved for eksempel -80°C til -70°C være interessant. Det er her en mulig fremtidig egenskab, ikke et dokumenteret resultat for de omtalte materialer ved normalt tryk.

Sådanne temperaturer kan nås med køleudstyr, der blandt andet bruges til ultrakold opbevaring af mRNA-vacciner. Om det udstyr ville være egnet til en bestemt superleder, afhænger også af varmebelastning, strømstyrke og magnetfelt.

Blandt de mulige anvendelser, der allerede blev diskuteret i 1990’erne, er:

• MR-scannere med muligheder for forbedret ydeevne eller lavere omkostninger, afhængigt af magneten og det samlede system.
• Elektromagnetisk fremdrift, også kaldet magnetohydrodynamisk (MHD) fremdrift, hvor elektrisk strøm og magnetfelter påvirker havvand for at drive et fartøj.
• Kraftigere eller mere effektive elektriske motorer.
• Energilagring med superledende magnetisk energilagring (SMES), som lagrer energi i et magnetfelt og ikke er et kemisk batteri.
• Superledende strømbegrænsere, afbrydere og beskyttelsesudstyr til elnettet.
• Eltransmission med mindre resistivt tab. Et praktisk system vil dog fortsat have omkostninger og tab fra blandt andet køling og forbindelser.
• Muligheder for billigere eller lettere vedligeholdelse af visse magnetiske svævetog og eventuelle fremtidige transportsystemer.
• Sensorer og magnetometre , herunder superledende kvanteinterferensdetektorer (SQUID), til blandt andet industrielle målinger.
• Superledende kvantecomputere
  • Læs mere i vores artikel “Den aktuelle udvikling inden for kvantecomputere”.
• Forsvars- og rumfartsanvendelser, eksempelvis magneter til afskærmning af ladede partikler, elektromagnetisk opsendelse, magnetiske lejer, sensorer og eksperimentelle elektromagnetiske våbensystemer. Disse muligheder har forskellige tekniske modenhedsniveauer.

Kilde: DOE

Superledning og kernefusion

Magneter i fusionsanlæg kan have gavn af superledere, der fungerer ved højere temperaturer. Det gælder især anlæg med magnetisk indeslutning af plasma.

Tokamakker og andre magnetiske fusionskoncepter bruger stærke magnetfelter til at indeslutte meget varmt plasma. Ikke alle fusionsmetoder gør det: inertiel fusion kan eksempelvis bruge lasere til at komprimere brændstoffet.

Efter en vellykket magnettest i 2021 undersøgte forskere fra MIT’s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) og Commonwealth Fusion Systems konstruktionen nærmere. Formålet var at udvikle magneter til kompakte fusionsanlæg.

Den nye REBCO-magnet kan fungere ved omkring 20 K, altså 16 K højere end traditionelle magneter ved cirka 4 K. Det er ikke en driftstemperatur på 16 K. En vigtig nyskabelse var at undlade elektrisk isolering mellem de superledende båndviklinger, hvilket frigav plads og forenklede konstruktionen.

Kilde: Phys.org

Efter demonstrationen den 5. september 2021 vurderede Dennis Whyte, at muligheden for stærke magneter i et mindre format kunne ændre den anslåede pris pr. watt i et fusionsanlæg med en faktor på næsten 40. Det var en vurdering af potentialet i et fremtidigt anlæg, ikke en målt omkostningsreduktion fra et kommercielt kraftværk.

Dennis Whyte — Hitachi America-professor i ingeniørvidenskab

Resultaterne blev beskrevet i seks videnskabelige artikler i IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Artiklerne gennemgår konstruktion og test af magneter til drift omkring 20 K og magnetfelter på cirka 20 tesla.

Afprøvning af grænserne

Forskerne udsatte også magneten for bevidst ustabile forhold for at undersøge fejlmekanismer. Den sidste test medførte lokal smeltning i et hjørne. Ifølge holdet forblev størstedelen, omtrent 95% eller mere, ubeskadiget. Testen gav viden til forbedringer; den viste ikke, at enhver fejl ville være ufarlig.

De mest detaljerede beregningsmodeller forudsagde opvarmningen og skadens placering meget præcist. Andre modeller var mindre pålidelige, og testen hjalp forskerne med at skelne mellem dem.

Projektet afprøvede også forsyningskæden. Der blev indkøbt cirka 300 kilometer (186 miles) højtemperatursuperledende bånd i samarbejde med CFS, Commonwealth Fusion Systems, som er udsprunget af MIT.

Fremtiden for fusions-superledende magneter

Fusionsmagneter vil fortsat kræve kryogen køling i de omtalte konstruktioner. Valget mellem traditionelle lavtemperatursuperledere og højtemperaturmaterialer afhænger af anlæggets design. REBCO-systemet bruger heliumgas til køling omkring 20 K; det er ikke det samme som flydende helium ved denne temperatur.

Resultaterne viser, at højtemperatursuperledere kan bruges til stærke magneter ved temperaturer, der er lettere at håndtere end cirka 4 K. “Højtemperatur” betyder her stadig meget koldt, ikke stuetemperatur.

På længere sigt kan sådanne magneter gøre nogle fusionsanlæg mere kompakte og mindske omkostningerne. Kommerciel elproduktion kræver dog også, at mange andre tekniske og økonomiske udfordringer løses.

Hvis fusion bliver en praktisk og økonomisk energikilde, kan den bidrage til energiforsyning, afsaltning og andre energikrævende processer. Den vil ikke automatisk gøre problemer med fødevareproduktion, klima eller rumfart trivielle.