Περιορισμοί Υπέρυθρης

Η ηλεκτρισμός αποτελεί 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 αντίσταση, η οποία οδηγεί στην παραγωγή θερμότητας όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

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

Χωρίς υπέρυθρη, πολλές σύγχρονες τεχνολογίες δεν θα ήταν δυνατόν, όπως οι επιταχυντές σωματιδίων (για παράδειγμα, το CERN), η ΜΑΓ, και τα αεροπλανοφόρα τρένα.

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

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

Το πρόβλημα μέχρι τώρα είναι ότι όλες αυτές οι εφαρμογές βασίζονται στην υπέρυθρη χαμηλής θερμοκρασίας, όπου τα υλικά είναι υπέρυθρα μόνο όταν ψύχονται σε χαμηλές θερμοκρασίες όπως 20 K/-253 °C/-423 °F, συνήθως απαιτώντας υγρό ήλιο.

Αυτό το καθιστά όχι μόνο πολύπλοκο για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές (αεροπλανοφόρα τρένα, ΜΑΓ, κ.λπ.) αλλά και πολύ δαπανηρό, καθιστώντας το οικονομικά μη βιώσιμο για πολλές εφαρμογές που θα μπορούσαν να ωφεληθούν από υπέρυθρα υλικά ή από οποιαδήποτε μεγάλη κλίμακα χρήσης.

Πολλές Διαδρομές προς την Υπέρυθρη

Άλλες μορφές υπέρυθρης εκτός των υπερκρύων υλικών απαιτούν συνεχόμενη πολύ υψηλή πίεση για να παραμείνει το υλικό υπέρυθρο. Αυτό μπορεί να είναι ενδιαφέρον από πειραματική άποψη, αλλά είναι ακόμη λιγότερο πρακτικό για βιομηχανικές εφαρμογές ή για υποδομές ενέργειας και μεταφορών.

Η υπέρυθρη υψηλής θερμοκρασίας θα μπορούσε να γίνει επιλογή, ιδιαίτερα με την αινιγματική περίπτωση του LK-99 (μια μορφή χαλκού-αντικατεστημένου οξέος μολύβδου – CSLA), ενός νέου τύπου υπέρυθρου σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία δωματίου. Η αξίωση αμφισβητήθηκε αμέσως και κριτικάρθηκε ως απάτη ή σφάλμα μέτρησης, αλλά αργότερα άλλοι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορεί να υπάρχει κάτι πραγματικό.

Οπωσδήποτε, η περίπτωση του LK-99 δείχνει ότι είμαστε μακριά από το να γνωρίζουμε τα πάντα για το τι καθιστά δυνατή την υπέρυθρη.

Πρόσφατα, το στριμμένο διπλό στρώμα WSe₂ (tungsten selenium) φαίνεται επίσης ως καλός υποψήφιος υλικός.

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον, το Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο, το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, το Εθνικό Πανεπιστήμιο Sun Yet-Sen (Ταϊβάν) και το Intellectual Venture ανοίγουν περαιτέρω το πεδίο των πιθανών υπέρυθρων υλικών, αφαιρώντας την ανάγκη για υψηλή πίεση εκτός της φάσης κατασκευής του υλικού.

Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους¹ στο Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), με τίτλο “Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3”.

Υπέρυθρη & Πίεση

Η σύνδεση μεταξύ υψηλής πίεσης και υπέρυθρης μελετάται εδώ και πάνω από 30 χρόνια, από την αρχική τους ανακάλυψη το 1993. Αυτό που συμβαίνει είναι ότι η πίεση τροποποιεί τη συμπεριφορά των ατόμων του υλικού, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει τις ηλεκτρικές του ιδιότητες.

«Το 2001, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι η εφαρμογή υψηλής πίεσης στο BST άλλαζε την τοπολογία της επιφάνειας Fermi, οδηγώντας σε βελτιωμένη θερμοηλεκτρική απόδοση.

Αυτή η σύνδεση μεταξύ πίεσης, τοπολογίας και υπέρυθρης τράβηξε το ενδιαφέρον μας.

Pr. Liangzi Deng – Ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον

Pr. Deng (αριστερά) και Pr. Chu (δεξιά) – Πηγή: University of Houston

Το πρόβλημα είναι ότι για ένα υλικό να είναι χρήσιμο σε βιομηχανικές εφαρμογές, συνήθως πρέπει να παρουσιάζει ενδιαφέρουσες ιδιότητες όταν βρίσκεται σε μεταστατική κατάσταση, ώστε να διατηρεί αυτές τις ιδιότητες σε «κανονικές» συνθήκες.

Μέχρι τώρα, η απαίτηση για πολύ υψηλή πίεση όχι μόνο έχει εμποδίσει τη μελέτη υλικών που είναι υπέρυθρα υπό αυτές τις συνθήκες, αλλά επίσης έχει κάνει πολύ αβέβαιες τυχόν μελλοντικές πρακτικές εφαρμογές, καθώς δεν θα ήταν εφικτό να διατηρηθεί ένα καλώδιο, μαγνήτης ή στοιχείο σιδηροδρόμου υπό τέτοιες ακραίες πιέσεις, ακόμη λιγότερο από τις απαιτήσεις των υπερκρύων συνθηκών των τρεχόντων υπέρυθρων.

Αποθέρμανση Υψηλής Πίεσης

Η διατήρηση των ιδιοτήτων υπέρυθρης σε κανονική πίεση είναι αυτό που μόλις πέτυχαν οι ερευνητές.

Για να το επιτύχουν, χρησιμοποίησαν ένα ειδικό ημιαγωγό υλικό που ονομάζεται BST (Βισμούθιο-Αντιμόνιο-Τελούριο / Bi_0.5Sb₁.5Te₃). Υπό πιέσεις έως ~50 GPa (Gigapascal), ή 500 000  φορές ισχυρότερη από την ατμοσφαιρική πίεση (1 bar), το BST παρουσιάζει τρεις υπέρυθρες φάσεις (BST‑I, ‑II και ‑III), με την πρώτη να εμφανίζεται στα 4 GPa.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια διαδικασία που ονομάζεται πρωτόκολλο αποθέρμανσης πίεσης (PQP), επιτρέποντας στη φάση που προκλήθηκε από την πίεση να παραμείνει σε κανονική πίεση.

Δεν διατηρήθηκε μόνο η φάση BST‑I, αλλά και οι φάσεις BST‑II και ‑III.

Χρησιμοποίησαν διαμάντι‑πριγκιπική άγκυρα για να φτάσουν την ακραία πίεση που απαιτείται.

Πηγή: University of Houston

Οι ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες αναλύθηκαν με ένα πολύ ευαίσθητο όργανο που ονομάζεται Σύστημα Μέτρησης Ιδιότητας Μαγνητισμού (MPMS)

Πηγή: University of Houston

Βελτίωση της Θερμοκρασίας Λειτουργίας

Κατά τη δοκιμή, αυτές οι υπέρυθρες φάσεις δεν ήταν μόνο αρχικά σταθερές σε κανονική πίεση, αλλά διατήρησαν αυτές τις καταστάσεις με την πάροδο του χρόνου και όταν εκτέθηκαν σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Αυτό, ωστόσο, δεν σημαίνει ότι πρόκειται για υπέρυθρο θερμοκρασίας δωματίου· σημαίνει μόνο ότι οι φάσεις είναι σταθερές σε κανονική πίεση και μπορούν να εμφανίσουν πραγματική υπέρυθρη όταν ψυχθούν.

Το BST είναι γνωστό ότι παρουσιάζει υπέρυθρη στα 10,2 K (-262,9 °C / -441,3 °F). Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αποπίεση και το πρωτόκολλο αποθέρμανσης πίεσης βελτίωσαν τη θερμοκρασία μετάβασης του BST, καθιστώντας το καλή επιλογή για τη βελτίωση υφιστάμενων υπέρυθρων υλικών.

«Αυτό το πείραμα δείχνει καθαρά ότι μπορεί κανείς να σταθεροποιήσει τη φάση που προκλήθηκε από υψηλή πίεση σε ατμοσφαιρική πίεση μέσω μιας λεπτής ηλεκτρονικής μετάβασης χωρίς αλλαγή συμμετρίας, προσφέροντας μια νέα διαδρομή για τη διατήρηση των υλικών φάσεων που ενδιαφέρουν και των τιμών που συνήθως υπάρχουν μόνο υπό πίεση.

Pr. Paul Chu – Ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον

Μελλοντικές Εφαρμογές

Αν και δεν δημιουργεί άμεσα υπέρυθρο υλικό, αυτό ανοίγει το δρόμο για μια νέα μέθοδο ανακάλυψης και σχεδίασης υπέρυθρων υλικών.

Μέχρι τώρα, η υπέρυθρη υπό υψηλή πίεση είχε πολύ λίγες πρακτικές εφαρμογές, και ένα υπέρυθρο θερμοκρασίας δωματίου έπρεπε να εμφανίζει αυτό το χαρακτηριστικό ανεξάρτητα από την επίδραση της πίεσης.

Αν το πρωτόκολλο αποθέρμανσης πίεσης μπορεί να γενικευτεί, αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στη σταθεροποίηση σε κανονικές συνθήκες υπέρυθρων υλικών που είναι υποσχόμενα, αλλά μέχρι τώρα λειτουργούσαν μόνο υπό υψηλή πίεση.

«Ενδιαφέρον είναι ότι αυτό το πείραμα αποκάλυψε μια νέα προσέγγιση για την ανακάλυψη νέων καταστάσεων της ύλης που δεν υπάρχουν αρχικά σε ατμοσφαιρική πίεση ή ακόμη και υπό συνθήκες υψηλής πίεσης.

Δείχνει ότι το PQP είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την εξερεύνηση και δημιουργία ανεξερεύνητων περιοχών των διαγραμμάτων φάσεων των υλικών.

Pr. Liangzi Deng – Ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον

Θα μπορούσε επίσης να βελτιώσει γνωστά υπέρυθρα ώστε η θερμοκρασία μετάβασής τους να είναι υψηλότερη.

Αυτό θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για διαδοχικές καταστάσεις, καθιστώντας δυνατό το να δημιουργηθεί ένα υπέρυθρο που να λειτουργεί με «μόνο» 78 K (-195 °C / -319 °F), ή το σημείο βρασμού του υγρού αζώτου, ένα πολύ πιο εύκολο στην διαχείριση ψυκτικό από το υγρό ήλιο, το οποίο για παράδειγμα χρησιμοποιείται σήμερα στα υπέρυθρα μαγνήτες του ITER.

Εταιρεία Υπέρυθρης

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

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

Η εταιρεία επωφελείται από πολλαπλούς παράγοντες ανάπτυξης, όπως η τάση της ηλεκτροποίησης, η ψηφιοποίηση (συμπεριλαμβανομένων των κέντρων δεδομένων AI), αλλά και η επανατοποθέτηση των αμερικανικών παραγωγικών δυνατοτήτων και η ανάγκη των ναυτικών δυνάμεων του Άγγλου κόσμου να εκσυγχρονιστούν ως απάντηση σε αυξανόμενους γεωπολιτικούς κινδύνους.

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

Στον τομέα της παροχής ενέργειας, η AMSC έχει δει σταθερή αύξηση των παραγγελιών. Αυτό οφείλεται στην προστασία των ημιαγωγικών εργοστασίων από διακυμάνσεις του δικτύου, στην υποστήριξη του δικτύου για την αντιμετώπιση της διαλείπουσας φύσης των ανανεώσιμων πηγών, και στην παροχή τροφοδοσίας & 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 ισχυρός τομέας για την εταιρεία με τις ανεμογεννήτριες 2 MW, αλλά έχει μειωθεί σταδιακά. Η AMSC στοχεύει σε ανάκαμψη χάρη στο νέο σχέδιο ανεμογεννήτριας 3 MW, με ιδιαίτερη έμφαση στην ινδική αγορά.

Πηγή: American Superconductor Corporation

Για στρατιωτικά πλοία, η ASMC παρέχει το «Αντιμετώπιση Μαγνητικών Ναρκών Υψηλής Θερμοκρασίας Υπέρυθρης της AMSC», ένα σύστημα που τροποποιεί την μαγνητική υπογραφή των πλοίων για να τα προστατεύει από θαλάσσιες νάρκες. Αυτό πωλείται σε ναυτικούς των ΗΠΑ, Καναδά και Ηνωμένου Βασιλείου, με παραγγελίες αξίας 75 εκατομμυρίων δολαρίων μέχρι τώρα.

Συνολικά, η ASMC αποδίδει καλύτερα αξιοποιώντας την τεχνολογία υπέρυθρης σε εξειδικευμένες εφαρμογές που είναι εφικτές σήμερα, ενώ πιθανότατα είναι έτοιμη να εφαρμόσει περαιτέρω προόδους στο μέλλον. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί από τους επενδυτές ότι η μετοχή έχει υποστεί ακραία μεταβλητότητα στο παρελθόν, και να υπολογιστούν οι κίνδυνοι αναλόγως.

Αναφορά Μελέτης:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Δημιουργία, σταθεροποίηση και διερεύνηση υπό ατμοσφαιρική πίεση της υπέρυθρης που προκαλείται από πίεση στο Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}