Το NUS Ανακαλύπτει Υλικό Χωρίς Χαλκό με Υψηλή Θερμοκρασία Υπεραγωγικότητας

Το Δυναμικό της Υπεραγωγικότητας

Η ηλεκτρισμός είναι μία από τις πιο σημαντικές τεχνολογίες που έχει δημιουργήσει η ανθρωπότητα. Στην συνηθισμένη της μορφή, αντιμετωπίζει πάντα κάποιο επίπεδο ηλεκτρικής αντίστασης, παράγοντας θερμότητα όταν κυκλοφορεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Αυτό μπορεί να θέσει σοβαρούς περιορισμούς για κάποιες εφαρμογές που απαιτούν πολύ ισχυρό ρεύμα ή μαγνητικά πεδία, καθώς θα οδηγούσε το ηλεκτρικό σύστημα σε τήξη.

Μια εναλλακτική είναι η υπεραγωγικότητα, ένα φαινόμενο όπου η ηλεκτρική αντίσταση πέφτει στο μηδέν. Ωστόσο, για πολύ καιρό, μπορούσε να παρατηρηθεί μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στο απόλυτο μηδέν (0 K), ή περίπου -273 °C/-387 °F.

Αυτό άλλαξε με μια ανακάλυψη που βραβεύτηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1987: υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας κατασκευασμένοι από οξείδια χαλκού.

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

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

Οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς απώλειες θα μπορούσαν επίσης να είναι καθοριστικές για την ανάπτυξη υπερβολικά μεγάλων δικτύων που βοηθούν στη σταθεροποίηση της παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ενάντια στις καιρικές συνθήκες και τις ζώνες ώρας, λύνοντας ορισμένους περιορισμούς της ηλιακής και αιολικής ενέργειας.

Source: XOT Metals

Υψηλή Θερμοκρασία Υπεραγωγικότητας

Προς το παρόν, η απαίτηση χαμηλής θερμοκρασίας καθιστά την υπεραγωγικότητα οικονομικά βιώσιμη μόνο για υψηλού επιπέδου εφαρμογές: μαγνητικά τρένα, MRI, κ.λπ.

Και ενώ είναι επιστημονικά ενδιαφέρουσα, η υπεραγωγικότητα υπό υψηλή πίεση είναι σχετικά άχρηστη από πρακτική άποψη.

Σημαντική πρόοδος σημειώθηκε πρόσφατα στον χώρο της υπεραγωγικότητας που θα μπορούσε να αλλάξει την κατάσταση:

• Τώρα φαίνεται ότι το υλικό που παράγεται υπό υψηλή πίεση μπορεί να διατηρήσει μέρος της υπεραγωγικότητάς του σε χαμηλότερη πίεση μέσω μιας πειραματικής μεθόδου που ονομάζεται πρωτόκολλο πίεσης-κρύωσης (PQP).
• Διπλό στρώμα WSe₂ (βασιλείου του βολφράμιου) φαίνεται να είναι καλός υποψήφιος για υπεραγωγούς υψηλότερης θερμοκρασίας.
• Μια άλλη νέα κατηγορία δυνητικών υπεραγωγών, τα διπλά νικελιτικά, μπορεί επίσης να προστέθηκαν στη λίστα φέτος.
• Στη συνέχεια εμφανίστηκε η αινιγματική περίπτωση LK-99 (μια μορφή ορείχαλκου-αντικατασταμένου οξυδίου μολύβδου – CSLA), ενδεχομένως ένας νέος τύπος υπεραγωγού σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία δωματίου.
  • Η αξίωση αμέσως αμφισβητήθηκε και κριτικάρθηκε ως απάτη ή σφάλμα μέτρησης, αλλά άλλοι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μπορεί να υπάρχει κάτι πραγματικό.

Παρά αυτές τις νέες ανακαλύψεις, σε μεγάλο βαθμό η υπεραγωγικότητα παραμένει φαινόμενο που δεν κατανοείται πλήρως, με πολλές εικασίες για το πώς να βρεθούν νέα υλικά με αυτή τη χαρακτηριστική ιδιότητα. Επομένως απαιτείται ένα καλύτερο θεωρητικό πλαίσιο.

Ένα κομμάτι του παζλ βρέθηκε τον Μάρτιο του 2025, με καλύτερη κατανόηση των πιθανών υψηλότερων θερμοκρασιών για υπεραγωγικότητα (Tc).

Ένα άλλο είναι η δημιουργία από ερευνητές του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης ενός νέου θεωρητικού μοντέλου που ήδη οδήγησε στην ανακάλυψη υλικού υπεραγωγικού χωρίς χαλκό. Αυτή η επίτευξη ανακοινώθηκε πρόσφατα στην αξιόλογη επιστημονική δημοσίευση Nature¹, με τίτλο “Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2 at ambient pressure”.

Νέο Μοντέλο Υπεραγωγικότητας

Εξήγηση της Υπεραγωγικότητας

Οι ερευνητές εργάστηκαν στην ανάπτυξη ενός νέου θεωρητικού μοντέλου που εξηγεί πώς λειτουργεί η υπεραγωγικότητα. Πρόκειται για ένα σύνθετο θέμα, το οποίο μπορεί να συνοψιστεί πιο απλά με μερικές βασικές έννοιες:

Ζεύγη Cooper, ή δύο ηλεκτρόνια δεσμευμένα μεταξύ τους μέσω ενός κβαντικού φαινομένου, αποτελούν βασικό στοιχείο για την υπεραγωγικότητα ενός υλικού.

Η σύμπτυξη των ζευγών Cooper δημιουργεί την υπεραγωγικότητα, τουλάχιστον σύμφωνα με τους ερευνητές που εξήγησαν αρχικά την υπεραγωγικότητα (η θεωρία Bardeen–Cooper–Schrieffer ή θεωρία BCS), η οποία κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής του 1972 για αυτήν την ιδέα.

Είναι οι φώνοντες, ή οι δονήσεις σε κβαντικό επίπεδο του πλέγματος του υλικού, που οδηγούν στο ζεύγος των ηλεκτρονίων στα ζεύγη Cooper. Όταν σχηματιστούν αρκετά ζεύγη Cooper, αυτό επιτρέπει την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στο υλικό χωρίς συγκρούσεις, εξαλείφοντας την ηλεκτρική αντίσταση.

Source: Fiveable

Πρόβλεψη και Παραγωγή Νέων Υπεραγωγών

Το νέο μοντέλο που προβλέπει το σχηματισμό ζευγών Cooper βοηθά τους ερευνητές να προβλέψουν πολλούς πιθανούς υπεραγωγούς, συμπεριλαμβανομένων πολλών που δεν περιέχουν άτομα χαλκού.

Στη συνέχεια συνδύασαν επιτυχώς ένα από τα προβλεπόμενα υλικά: οξείδιο σμαρίου-ευρώπιο-αργύρου-νικελίου (Sm-Eu-Ca)NiO₂.

“Όπως προβλέψαμε και σχεδιάσαμε, αυτό το μη-χαλκό-βάση υπεραγωγικό οξείδιο επιδεικνύει υπεραγωγικότητα υψηλής θερμοκρασίας υπό ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας, χωρίς την ανάγκη πρόσθετης συμπίεσης—όπως τα οξείδια χαλκού.

Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι η μη συμβατική υπεραγωγικότητα υψηλής θερμοκρασίας δεν είναι αποκλειστική του χαλκού, αλλά μπορεί να είναι μια πιο διαδεδομένη ιδιότητα μεταξύ των στοιχείων του περιοδικού πίνακα.”

Δρ. Stephen Lin Er Chow – Ερευνητής στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης

Επιβεβαίωσαν επίσης μηδενική ηλεκτρική αντίσταση (υπεραγωγικότητα) πολύ πάνω από 30 K σε αυτό το σύνθετο. Αυτό δεν είναι μόνο ένα νέο υλικό για πειράματα, αλλά απόδειξη ότι το μοντέλο που χρησιμοποίησαν έχει προβλεπτική αξία, πιθανώς σημαίνοντας ότι και τα άλλα προβλεπόμενα υπεραγωγικά υλικά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν. Πρόκειται για την πρώτη ανακάλυψη τέτοιου υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας από τη δεκαετία του 1990.

Source: National University of Singapore

Ο Zhaoyang Luo, διδακτορικός φοιτητής του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης, παρουσίασε την υψηλή κρυσταλλικότητα και την καθαρή φάση του συνθετικού υλικού χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία. Αυτό καθιστά το νέο υλικό πολύ σταθερό, καθιστώντας το καλό υποψήφιο για μελλοντικές βιομηχανικές εφαρμογές.

«Αυτή είναι η πρώτη φορά από την ανακάλυψη που βραβεύτηκε με Νόμπελ ότι βρέθηκε ένα οξείδιο υπεραγωγικό χωρίς χαλκό που λειτουργεί υπό ατμοσφαιρική πίεση.

Επιπλέον, αυτό το νέο υλικό είναι εξαιρετικά σταθερό υπό ατμοσφαιρικές συνθήκες, βελτιώνοντας σημαντικά την προσβασιμότητά του.

Καθ. Ariando – Καθηγητής στο National University of Singapore

Η μέθοδος παραγωγής του νέου υλικού είναι επίσης αρκετά ανθεκτική, χωρίς να εμφανίζονται δομικά ελαττώματα κατά τη διαδικασία, ενισχύοντας περαιτέρω το δυναμικό για πρακτικές εφαρμογές.

Εφαρμογές Και Μελλοντική Ανάπτυξη

Τώρα που διαθέτουν ένα πιο στέρεο θεωρητικό πλαίσιο, οι ερευνητές μπορούν να προσπαθήσουν να βελτιστοποιήσουν συγκεκριμένες παραμέτρους των υπεραγωγικών υλικών. Συγκεκριμένα, αναφέρουν χαρακτηριστικά ατόμων και μορίων όπως η μετατόπιση ηλεκτρονικής κατοχής και η υδρόστατη πίεση.

Αυτό θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο είτε σε εντελώς νέους τύπους υπεραγωγών είτε ίσως σε μια νέα οικογένεια υπεραγωγών με ακόμη υψηλότερες λειτουργικές θερμοκρασίες.

Οποιοσδήποτε υπεραγωγός υψηλότερης θερμοκρασίας που μπορεί να παραχθεί σε μεγάλη κλίμακα θα μπορούσε να έχει δύο κύριες επιπτώσεις:

• Να μειώσει δραστικά το κόστος των τεχνολογιών που χρησιμοποιούν σήμερα υπεραγωγούς, δημοκρατικοποιώντας τη χρήση τους, ιδιαίτερα στα μαγνητικά τρένα και στα MRI.
• Να ανοίξει νέους τομείς χρήσης, ειδικά αν η θερμοκρασία Tc φτάσει σε επίπεδο που να ταιριάζει με το υγρό άζωτο (-196 °C / -320 °F), ένα πολύ φθηνότερο και εύκολο στην παραγωγή ψυκτικό σε σύγκριση με τα τρέχοντα ψυκτικά υλικά υπεραγωγών.
  • Αυτές οι νέες εφαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν μετάδοση ενέργειας, αποθήκευση ενέργειας, λέιζερ, πλοία, προώθηση στο διάστημα & πρόσβαση στην τροχιά (μαζικοί επιταχυντές), κ.λπ.

Αυτή η παρατήρηση έχει βαθιές επιπτώσεις τόσο για τη θεωρητική κατανόηση όσο και για την πειραματική υλοποίηση ενός ευρύτερου φάσματος υπεραγωγικών υλικών με πρακτικές εφαρμογές στη σύγχρονη ηλεκτρονική,

Καθ. Ariando – Καθηγητής στο National University of Singapore

Ηγέτες στις Λύσεις Υπεραγωγικότητας

American Superconductor Corporation

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 χρειάζεται 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 ωφελείται από πολλαπλούς παράγοντες ανάπτυξης, όπως η τάση για ηλεκτροκίνηση, η ψηφιοποίηση (συμπεριλαμβανομένων των κέντρων δεδομένων AI), αλλά και η επαναφορά των αμερικανικών παραγωγικών δυνατοτήτων και η ανάγκη των ναυτικών δυνάμεων του Άγγλου κόσμου να εκσυγχρονιστούν ως απάντηση σε αυξανόμενους γεωπολιτικούς κινδύνους.

Source: American Superconductor Corporation

Στον τομέα τροφοδοσίας ενέργειας, η AMSC έχει δει σταθερή αύξηση των παραγγελιών. Αυτό οφείλεται σε εγκαταστάσεις ημιαγωγών που επιδιώκουν προστασία από διακυμάνσεις του δικτύου, βοηθώντας το δίκτυο να αντιμετωπίσει τη διαλείπουσα φύση των ανανεώσιμων πηγών, καθώς και σε τροφοδοσία & έλεγχο σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις.

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

Source: American Superconductor Corporation

Για στρατιωτικά πλοία, η ASMC παρέχει το “Αντιμετώπιση Μαγνητικών Ναρκών Υψηλής Θερμοκρασίας της AMSC”, ένα σύστημα που τροποποιεί τη μαγνητική υπογραφή των πλοίων για να τα προστατεύει από θαλάσσιες νάρκες. Πωλείται σε ναυτικούς των ΗΠΑ, Καναδά και Ηνωμένου Βασιλείου, με παραγγελίες αξίας 75 εκατομμυρίων δολαρίων μέχρι σήμερα.

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

Τελευταία Ειδήσεις για την American Superconductor Corporation

Μελετημένα Στοιχεία:

^{1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) A. Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2at ambient pressure. Nature. 20 Μάρτιος 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4}