Είδυνα οι Υπεραγωγοί σε Θερμοκρασία Δωματίου; Η QMUL Λέει Ναι

Περιορισμοί Υπεραγωγιμότητας

Η ηλεκτρισμός ήταν μία από τις πιο μετασχηματιστικές τεχνολογίες στην ιστορία, επιτρέποντας τη μετάδοση μιας πολύ χρήσιμης μορφής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Αλλά κάθε «κανονικό» ηλεκτρικό σύστημα αντιμετωπίζει ηλεκτρική αντίσταση, η οποία οδηγεί στη δημιουργία θερμότητας όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Υπάρχει μια εναλλακτική: τα λεγόμενα υπεραγωγικά υλικά. Τα υπεραγωγικά υλικά έχουν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση, επιτρέποντας τη χρήση εξαιρετικά ισχυρών ρευμάτων χωρίς παραγωγή θερμότητας.

Χωρίς υπεραγωγικότητα, πολλές σύγχρονες τεχνολογίες δεν θα ήταν δυνατές, όπως οι επιταχυντές σωματιδίων (π.χ., το CERN), η MRI και τα μαγνητικά τρένα.

Η υπεραγωγικότητα θα είναι κρίσιμο στοιχείο των πιο υποσχόμενων μεγαπρογραμμάτων και τεχνολογικών καινοτομιών, όπως το ITER και η πυρηνική σύντηξη, οι μαζικοί επιταχυντές, οι κβαντικοί υπολογιστές, κ.λπ.

Οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς απώλειες θα μπορούσαν επίσης να είναι κρίσιμες για την ανάπτυξη υπερβολικά μεγάλων συνδέσεων δικτύου, βοηθώντας στην εξισορρόπηση της παραγωγής ανανεώσιμων πηγών κατά τις καιρικές συνθήκες και τις ζώνες ώρας, λύνοντας ορισμένους περιορισμούς της ηλιακής και αιολικής ενέργειας.

Πηγή: XOT Metals

Ωστόσο, η υπεραγωγικότητα έχει κατακτηθεί μέχρι τώρα μόνο για υλικά που την εμφανίζουν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, μόλις λίγα βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ή σε εξαιρετικά υψηλή πίεση. Ή και τα δύο.

Αυτό το καθιστά όχι μόνο πολύπλοκο για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές (μαγνητικά τρένα, MRI, κ.λπ.) αλλά και πολύ δαπανηρό, καθιστώντας το μη οικονομικό για πολλές εφαρμογές που θα μπορούσαν να ωφεληθούν από το υπεραγωγικό υλικό ή οποιαδήποτε μεγάλης κλίμακας χρήση.

Πολλές Διαδρομές προς την Υπεραγωγικότητα

Τώρα φαίνεται ότι το υλικό που παράγεται υπό υψηλή πίεση μπορεί να διατηρήσει μέρος της υπεραγωγικότητά του σε χαμηλότερη πίεση μέσω μιας πειραματικής μεθόδου που ονομάζεται πρωτόκολλο πίεσης-κρύωσης (PQP).

Πρόσφατα, το twisted bilayer of WSe₂ (tungsten selenium) φάνηκε να είναι καλός υποψήφιος υλικός για υπεραγωγούς υψηλότερης θερμοκρασίας επίσης.

Μια άλλη νέα κατηγορία πιθανών υπεραγωγών, οι bilayer nickelates, μπορεί επίσης να προστέθηκαν στη λίστα φέτος.

Το πρόβλημα με την εύρεση νέων υλικών που είναι υπεραγωγοί σε υψηλότερες θερμοκρασίες είναι ότι δεν καταλαβαίνουμε πραγματικά πώς λειτουργούν. Αυτό ισχύει ακόμη περισσότερο για την υπεραγωγικότητα υψηλής ή δωματιού-θερμοκρασίας. Για κάποιο χρονικό διάστημα, θεωρούνταν εντελώς αδύνατη.

Στη συνέχεια εμφανίστηκε η αινιγματική περίπτωση του LK-99 (μια μορφή χαλκού-αντικατεστημένου οξυδίου μολύβδου – CSLA), ενδεχομένως ένας νέος τύπος υπεραγωγού δωματιού-θερμοκρασίας υπό ατμοσφαιρική πίεση. Η αξίωση αμέσως αμφισβητήθηκε και κριτικάρθηκε ως απάτη ή σφάλμα μέτρησης, αλλά άλλοι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορεί να υπάρχει κάτι πραγματικό.

Νέα πρόοδος στη θεωρητική φυσική, που πραγματοποιήθηκε από ερευνητές του QMUL (Queen Mary University of London), του University of Cambridge και της Intellectual Ventures, μπορεί να ρίξει φως στο πώς οι υπεραγωγοί δωματιού-θερμοκρασίας μπορεί τελικά να είναι εφικτοί.

Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους¹ στο Journal of Physics: Condensed Matter, με τίτλο \”Upper bounds on the highest phonon frequency and superconducting temperature from fundamental physical constants\”.

Κατανόηση του Ορίου T_C 

Κάθε υπεραγωγικό υλικό ορίζεται από μια τιμή που ονομάζεται T_C (Κριτική Θερμοκρασία). Για τα περισσότερα υλικά με υπεραγωγική συμπεριφορά, το T_C είναι μόλις λίγοι βαθμοί πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Ωστόσο, αυτή η νέα έρευνα προχώρησε στην εξερεύνηση των θεωρητικών ορίων του T_C.

Ένα τέτοιο όριο καθορίζεται από θεμελιώδεις δυνάμεις και σταθερές του σύμπαντος, όπως η μάζα του ηλεκτρονίου, το φορτίο του ηλεκτρονίου και η σταθερά του Planck.

Αυτή η εργασία αποδεικνύει ότι αυτές οι σταθερές «θέτουν ένα ανώτατο όριο για τη συχνότητα των phonons σε συμπυκνωμένες φάσεις, ή πόσο γρήγορα μπορεί να δονείται ένα άτομο σε αυτές τις φάσεις». Αυτό, με τη σειρά του, καθορίζει το χαμηλότερο και το υψηλότερο εύρος των πιθανών TC καθώς τα phonons μεσολαβούν στο ποια υπεραγωγική θερμοκρασία μπορεί να υπάρξει.

Άνω και Κάτω Όρια για το T_C

Τα μαθηματικά και η σωματική φυσική που χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό του τι T_C είναι δυνατό ή όχι είναι μάλλον πολύπλοκα και πέρα από το πεδίο των μη-ειδικών. Απλώς για να δώσουμε ένα παράδειγμα από το επιστημονικό άρθρο στην εισαγωγή του:

“Στις υπολογισμούς μας με τη θεωρία πυκνότητας λειτουργικής (DFT), χρησιμοποιούμε παρόμοιες μεθόδους με το προηγούμενο μας άρθρο. Αυτό περιλαμβάνει τη χρήση του συναρτησιακού ανταλλαγής-συσχέτισης Perdew–Burke–Ernzerhof, ένα όριο ενέργειας 1200 eV και ένα πλέγμα k‑σημείων με απόσταση 2π×0.025 Å⁻¹ για τη δειγματοληψία της ηλεκτρονικής ζώνης Brillouin.”

Για να το απλοποιήσουμε, το μοντέλο που ανέπτυξαν οι ερευνητές διερευνά πόσο υψηλή μπορεί να είναι η συχνότητα ταλάντωσης ενός ατόμου σε στερεά ή υγρά.

Αυτό θα θέσει το άνω όριο για την υπεραγωγικότητα T_C μεταξύ 100 και 1.000 K, ή -173,15 έως 726 °C / -279 έως 1340 °F. Αυτό θα έκανε την υπεραγωγικότητα, τουλάχιστον θεωρητικά, απολύτως εφικτή σε θερμοκρασίες δωματίου.

Τοποθετεί σταθερά τη θερμοκρασία δωματίου στη ζώνη όπου η υπεραγωγικότητα είναι δυνατή, αλλάζοντας ριζικά την προηγούμενη αντίληψή μας ότι η υπεραγωγικότητα δωματίου-θερμοκρασίας ήταν θεωρητικά αδύνατη.

Βαθύτερη Κατανόηση του Σύμπαντος

Τα αποτελέσματα έχουν ήδη επιβεβαιωθεί ανεξάρτητα σε ξεχωριστή μελέτη, επιβεβαιώνοντας ότι αυτή η πιο λεπτομερής θεωρητική ανάλυση πιθανότατα ταιριάζει με την πραγματική φυσική πραγματικότητα.

Αυτό θα πρέπει να ενισχύσει σημαντικά το πεδίο της έρευνας υπεραγωγικότητας, καθώς τώρα υπάρχει ένα θεωρητικό πλαίσιο που εξηγεί καλύτερα γιατί οι υπεραγωγοί δωματίου-θερμοκρασίας είναι δυνατοί.

“Αυτή η ανακάλυψη μας λέει ότι η υπεραγωγικότητα δωματίου-θερμοκρασίας δεν αποκλείεται από τις θεμελιώδεις σταθερές. Δίνει ελπίδα στους επιστήμονες: το όνειρο είναι ακόμη ζωντανό.”

Καθηγητής Pickard – Καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge

Μια τέτοια βαθύτερη κατανόηση του πώς συμπεριφέρεται η συμπυκνωμένη ύλη σε επίπεδο σωματιδίων θα πρέπει επίσης να αποφέρει αποτελέσματα σε άλλους τομείς, όπως η επιστήμη των υλικών, η ηλεκτρονική ή η φυσική του πλάσματος.

Μελλοντικές Εφαρμογές

Οι υπεραγωγοί δωματίου-θερμοκρασίας θα αποτελούσαν αμέσως ένα υλικό-θαύμα εάν κατανοούνταν επαρκώς για μαζική παραγωγή.

Το πρώτο άμεσο αποτέλεσμα θα ήταν η μείωση του κόστους του εξοπλισμού που ήδη χρησιμοποιεί υπεραγωγικότητα, όπως η MRI, τα μαγνητικά τρένα, οι προηγμένες τουρμπίνες και γεννήτριες, οι επιταχυντές σωματιδίων, τα πειραματικά αντιδραστήρια σύντηξης κ.λπ.

Θα έκανε επίσης εφικτή τεχνολογία που μέχρι τώρα είτε δεν μπορούσε να υλοποιηθεί καθόλου είτε ήταν απαγορευτικά ακριβή λόγω των τεχνικών περιορισμών των υπεραγωγών χαμηλής θερμοκρασίας.

Αυτό περιλαμβάνει τα υπερβόλτ τρένα, τους μαζικούς επιταχυντές για επίτευξη τροχιάς, τη εμπορική πυρηνική σύντηξη, τις διαηπειρωτικές συνδέσεις δικτύου κ.λπ. Κάθε μία από αυτές είναι μια τεχνολογία που θα αλλάξει για πάντα την πορεία του ανθρώπινου πολιτισμού.

Ηγέτες σε Λύσεις Υπεραγωγικότητας

Η AMSC είναι μια εταιρεία που παρέχει ενεργειακές λύσεις για το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, τα πλοία και την αιολική ενέργεια. Γενικά, όσο πιο ενεργοβόρο ή μεγαλύτερο είναι ένα σύστημα, τόσο περισσότερο απαιτεί τεχνολογία υπεραγωγών για να αποφεύγει την υπερθέρμανση.

Παρά το όνομά της, η ASMC παρέχει όχι μόνο συστήματα υπεραγωγών αλλά και, για παράδειγμα, μηχανές μετάδοσης κίνησης για ανεμογεννήτριες.

Η εταιρεία εκμεταλλεύεται πολλαπλούς παράγοντες ανάπτυξης, από την τάση της ηλεκτροποίησης και της ψηφιοποίησης (συμπεριλαμβανομένων των κέντρων δεδομένων AI), αλλά και την επαναφορά των αμερικανικών δυνατοτήτων παραγωγής και την ανάγκη των ναυτικών δυνάμεων του αγγλόφωνου κόσμου να εκσυγχρονιστούν ως απάντηση στην αυξανόμενη γεωπολιτική αβεβαιότητα.

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

Στον τομέα της παροχής ενέργειας, η AMSC έχει παρατηρήσει σταθερή αύξηση των παραγγελιών. Αυτό οφείλεται σε εργοστάσια ημιαγωγών που επιδιώκουν προστασία από τις διακυμάνσεις του δικτύου, βοηθώντας το δίκτυο να αντιμετωπίζει τη διακοπτόμενη φύση των ανανεώσιμων πηγών, καθώς και στην παροχή ενέργειας & ελέγχων σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις.

Πηγή: American Superconductor Corporation

Στον τομέα των ανεμογεννητριών, η AMSC δρα κυρίως με το Ηλεκτρικό Σύστημα Ελέγχου (ECS). Ιστορικά, το ESC ήταν ένα ισχυρό τμήμα για την εταιρεία με τις ανεμογεννήτριες 2 MW, αλλά έχει σταδιακά μειωθεί. Η AMSC στοχεύει σε ανάκαμψη χάρη στο νέο σχεδιασμό ανεμογεννήτριας 3 MW, με ειδική έμφαση στην ινδική αγορά.

Πηγή: American Superconductor Corporation

Για τα στρατιωτικά πλοία, η ASMC παρέχει το «High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure» της AMSC, ένα σύστημα για την αλλαγή της μαγνητικής υπογραφής των πλοίων ώστε να τα προστατεύει από θαλάσσια νάρκες. Αυτό πωλείται σε ναυτικούς των ΗΠΑ, του Καναδά και του Ηνωμένου Βασιλείου, με παραγγελίες αξίας 75 εκατομμυρίων δολαρίων μέχρι σήμερα.

Γενικά, η ASMC αποδίδει καλύτερα αξιοποιώντας την τεχνολογία υπεραγωγών σε εξειδικευμένες εφαρμογές που είναι εφικτές σήμερα, ενώ πιθανότατα είναι έτοιμη να εφαρμόσει περαιτέρω προόδους στο μέλλον. Θα πρέπει επίσης οι επενδυτές να σημειώσουν ότι η μετοχή έχει υποστεί εξαιρετική μεταβλητότητα στο παρελθόν, και να υπολογίσουν τους κινδύνους αναλόγως.

Τελευταία Ειδήσεις για την American Superconductor Corporation

Μελέτες Αναφοράς:

^{1. K Trachenko, B Monserrat, M Hutcheon and Chris J Pickard.(2025) Ανώταρα όρια για τη μέγιστη συχνότητα φωνόνων και τη θερμοκρασία υπεραγωγικότητας από τις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές. Journal of Physics: Condensed Matter. 37165401. 13 Μαρτίου 2025. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/adbc39}