Πρόοδος στην Υπεραγωγία Ανοίγοντας το Δρόμο για μια Νέα Τεχνολογική Επανάσταση

Όρια Υπεραγωγίας

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι μία από τις πιο μετασχηματιστικές τεχνολογίες στην ιστορία, επιτρέποντας τη μετάδοση μιας πολύ χρήσιμης μορφής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Ωστόσο, κάθε ηλεκτρικό σύστημα αντιμετωπίζει ηλεκτρική αντίσταση, η οποία οδηγεί στη δημιουργία θερμότητας όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Υπάρχει μια εναλλακτική, το λεγόμενο υπεραγωγικό υλικό. Τα υπεραγωγικά υλικά έχουν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση, επιτρέποντας τη χρήση εξαιρετικά ισχυρών ρευμάτων χωρίς παραγωγή θερμότητας ή ισχυρών μαγνητικών πεδίων.

Χωρίς την υπεραγωγία, πολλές σύγχρονες τεχνολογίες δεν θα ήταν δυνατές, όπως οι επιταχυντές σωματιδίων, η Μαγνητική Τομογραφία (MRI) και τα τρένα μαγνητικής ανύψωσης (maglev).

Το πρόβλημα είναι ότι όλες αυτές οι εφαρμογές βασίζονται στην υπεραγωγία χαμηλών θερμοκρασιών, όπου τα υλικά είναι υπεραγωγικά μόνο όταν ψύχονται σε χαμηλές θερμοκρασίες όπως 20 K/-253 °C/-423 °F, συμπεριλαμβανομένου του υγρού ηλίου.

Για ορισμένες εφαρμογές, όπως τα μαγνήτες σε πειραματικούς αντιδραστήρες σύντηξης, η απαιτούμενη θερμοκρασία μπορεί να είναι τόσο χαμηλή όσο 4 K (μόνο 4 βαθμοί πάνω από το απόλυτο μηδέν), αν και αυτό βελτιώνεται (δείτε παρακάτω).

Τέτοιες εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες είναι δύσκολο να διατηρηθούν και καταναλώνουν πολύ ενέργεια. Έτσι, ενώ άλλες τεχνολογίες & εφαρμογές θα μπορούσαν να ωφεληθούν από την υπεραγωγία, σπάνια είναι οικονομικά βιώσιμη.

Υπεραγωγία Υψηλών Θερμοκρασιών

Αυτή είναι η αιτία που η προοπτική υλικών που μπορούν να παραμένουν υπεραγωγικά σε υψηλότερες θερμοκρασίες είναι συναρπαστική. Σε αυτό το πλαίσιο, η “υψηλή” θερμοκρασία μπορεί να είναι τόσο χαμηλή όσο -185 °C έως -135 °C αλλά είναι πολύ πιο εύκολη στην επίτευξη από την παραδοσιακή υπεραγωγική θερμοκρασία, χρησιμοποιώντας υγρό άζωτο αντί για υγρό ήλιο.

Αλλά φυσικά, το ιδανικό υλικό θα ήταν υπεραγωγικό σε θερμοκρασίες λίγο κάτω από το σημείο του πάγου ή ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.

Υπεραγωγία σε Θερμοκρασία Δωματίου

Το καλοκαίρι του 2023, ένα κομμάτι ειδήσεων έγινε ιικό μετά τη δημοσίευση ενός επιστημονικού άρθρου με τίτλο “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”. Ένα υλικό που ονομάζεται LK-99 περιγράφηκε ως λειτουργικό ως υπεραγωγός μέχρι 127 °C/260 °F. Το γεγονός ότι χρησιμοποιεί κοινά υλικά όπως ο χαλκός και ο μόλυβδος (χαλκό-αντικατασταμένος μόλυβδος αφατίτης – CSLA) πρόσθεσε μόνο στο δυναμικό της ανακάλυψης.

Κρύσταλλοι χαλκού – Πηγή: DOE

Ακόμη προκάλεσε μια μικρο-φούσκα στις μετοχές σχετικές με την υπεραγωγία, για παράδειγμα, +60 % στις τιμές των μετοχών της American Superconductor.

Η αξίωση αμφισβητήθηκε αμέσως και διαπιστώθηκε ότι είναι δύσκολο να αναπαραχθεί.

Η Ιστορία της Υπεραγωγίας του LK-99

Αλλά αυτή η ιστορία δεν έχει τελειώσει ακόμη. Τον Ιανουάριο του 2024, δύο άλλες ερευνητικές ομάδες έχουν επίσης παρατηρήσει το δυναμικό του LK-99 για υπεραγωγία.

Αξιόλογα, κάθε ομάδα δημιούργησε τη δική της έκδοση του LK-99 μέσω διαφορετικών μεθόδων κατασκευής, υποδεικνύοντας ότι τα παρατηρηθέντα αποτελέσματα πιθανότατα σχετίζονται με το υλικό περισσότερο παρά με τυχόν ακαθαρσίες ή σφάλματα.

Έτσι, υπάρχει κάποια ελπίδα ότι δεν πρόκειται για ψευδή συναγερμό. Αυτό που φαίνεται να ισχύει είναι ότι η διαδικασία κατασκευής είναι, προς το παρόν, εξαιρετικά αναποτελεσματική, καθιστώντας εύκολο ένα τεστ να επιστρέψει αρνητικό.

Έτσι, ίσως δεν είναι έκπληξη το γεγονός ότι η αναπαραγωγή της αρχικής ανακάλυψης του LK-99 δεν ήταν καθόλου απλή.

«…ακόμη και τα δείγματα που συνθέθηκαν ακολουθώντας τη σημερινή καλύτερη γνωστή διαδικασία (αυτή που χρησιμοποίησαν) τείνουν να έχουν υψηλό ποσοστό μη‑υπεραγωγικής ύλης αναμεμιγμένη με τα υποτιθέμενα υπεραγωγικά τμήματα. Σε αυτή την περίπτωση, είναι εύκολο να δηλωθούν λανθασμένα τα δείγματα ως “νεκρά” ακόμη και μετά τον έλεγχο.

ένα από τα υπεραγωγικά δείγματα στα οποία βασίστηκε το άρθρο τους κατασκευάστηκε τον Νοέμβριο του 2023, κηρύχθηκε αποτυχία και πρόκειται να απορριφθεί σε πολλαπλά στάδια της ζωής του.

»

Πηγή: Tom’s Hardware

Δυνατότητες Υπεραγωγίας

Ακόμη και αν οι υπεραγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου παραμένουν ακατόρθωτοι, οι ερευνητές μπορεί να βρουν τρόπο να διατηρούν το υλικό υπεραγωγικό σε θερμοκρασίες τόσο “υψηλές” όσο -80 °C έως -70 °C.

Αυτό θα άλλαζε εντελώς τις πιθανές εφαρμογές, καθώς η υπεραγωγία θα μπορούσε τότε να βασίζεται στην τεχνολογία ψύξης που χρησιμοποιείται σε καταψύκτες για αποθήκευση εμβολίων mRNA, αντί για πιο ακριβό υγρό ήλιο ή ήλιο.

Μεταξύ των πιθανών εφαρμογών που ήδη συζητήθηκαν τη δεκαετία του 1990 είναι:

• Καλύτερη Μαγνητική Τομογραφία (MRI), με υψηλότερη ανάλυση και φθηνότερη κατασκευή και λειτουργία, επιτρέπει να γίνει μια πολύ πιο συνηθισμένη ιατρική εξέταση.
• Συστήματα ηλεκτρομαγνητικής ώθησης (επίσης γνωστά ως μαγνητοϋδροδυναμικοί (MHD) κινητήρες) για την προώθηση πλοίων μέσω ηλεκτροφόρησης του θαλασσινού νερού.
• Πιο ισχυροί και αποδοτικοί ηλεκτρικοί κινητήρες.
• Μπαταρίες υψηλότερης πυκνότητας και ασφαλέστερες με Αποθήκευση Υπεραγωγικής Μαγνητικής Ενέργειας (SMES).
• Υπεραγωγικοί περιοριστές, διακόπτες και ασφάλειες για τη βελτίωση της υποδομής του ηλεκτρικού δικτύου.
• Μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλων αποστάσεων χωρίς απώλειες, που θα μπορούσε να ενισχύσει την αποδοτικότητα των ανανεώσιμων πηγών, για παράδειγμα με ηλιακούς πίνακες που παραμένουν στον ήλιο και τροφοδοτούν μια πόλη χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά.
• Φθηνότερα και πιο εύκολα στη συντήρηση τρένα maglev ή αργότερα συστήματα Hyperloop.
• Αισθητήρες/μαγνητόμετρα (Συσκευές Υπεραγωγικής Κβαντικής Παρεμβολής – SQUIDS) για εφαρμογές σε βιομηχανικά περιβάλλοντα.
• Υπεραγωγική κβαντική υπολογιστική
  • (μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για την πρόοδο της κβαντικής υπολογιστικής στο άρθρο μας “Η Τρέχουσα Κατάσταση της Κβαντικής Υπολογιστικής”).
• Εφαρμογές Άμυνας & Αεροδιαστημικής, συμπεριλαμβανομένων των ασπίδων ακτινοβολίας, ηλεκτρομαγνητικών εκτοξεύσεων, μαγνητικών ρουλεμάν, αισθητήρων, ραπτοπυροβόλων, πηνιοβόλων, λέιζερ και άλλων ενεργειακών όπλων.

Πηγή: DOE

Υπεραγωγία και Πυρηνική Σύντηξη

Η πυρηνική σύντηξη είναι μια άλλη εφαρμογή που θα ωφεληθεί σημαντικά από υπεραγωγούς που λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Όλες οι διάφορες μέθοδοι επίτευξης εμπορικής πυρηνικής σύντηξης βασίζονται σε εξαιρετικά ισχυρούς μαγνήτες για τον περιορισμό και τη συμπίεση του πλάσματος που θερμαίνεται σε δεκάδες ή εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς.

Μετά από μια αρχική επιτυχία το 2021, μια ερευνητική ομάδα στο Κέντρο Πλασματικής Επιστήμης και Σύντηξης του MIT (PSFC) εργάστηκε για την κατασκευή ενός υπεραγωγικού μαγνήτη αρκετά ισχυρού ώστε να είναι χρήσιμος σε αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης.

Ο νέος σχεδιασμός μαγνήτη σύντηξης είναι υπεραγωγικός σε 16 K αντί για τα προηγούμενα 4 K. Μία βασική καινοτομία είναι η αφαίρεση όλης της μόνωσης γύρω από το αγώγιμο σύρμα του μαγνήτη. Αυτό, με τη σειρά του, άνοιξε χώρο για περαιτέρω βελτιώσεις, όπως μια πιο απλή διαδικασία κατασκευής ή μεγαλύτερη δομική αντοχή.

Πηγή: Phys.org

«Πριν από την επίδειξη της 5ης Σεπτεμβρίου, οι καλύτεροι διαθέσιμοι υπεραγωγικοί μαγνήτες ήταν αρκετά ισχυροί ώστε ενδεχομένως να επιτύχουν ενέργεια σύντηξης — αλλά μόνο σε μεγέθη και κόστη που δεν θα μπορούσαν ποτέ να είναι πρακτικά ή οικονομικά βιώσιμα. Στη συνέχεια, όταν τα τεστ έδειξαν την πρακτικότητα ενός τόσο ισχυρού μαγνήτη σε πολύ μικρότερο μέγεθος, «εν μία νύχτα, άλλαξε βασικά το κόστος ανά watt ενός αντιδραστήρα σύντηξης κατά παράγοντα σχεδόν 40 σε μία μέρα»

Dennis Whyte – Καθηγητής Μηχανικής στην Hitachi America

Δημοσίευσαν τις ανακαλύψεις τους σε μια συλλογή 6 επιστημονικών εργασιών που δημοσιεύτηκαν στο IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Εξήγησαν λεπτομερώς πώς να κατασκευάσουν τέτοιους μαγνήτες σύντηξης 16 K, που παράγουν μαγνητικό πεδίο τόσο έντονο όσο 20 Tesla.

Δοκιμή του Ορίου

Προθυμοί να αποδείξουν ότι ο νέος σχεδιασμός μαγνήτη σύντηξης μπορεί να λειτουργήσει με ασφάλεια, τον έβαλαν επίσης ενεργά σε δύσκολες συνθήκες. Η τελευταία δοκιμή κατέληξε σε μερική τήξη του μαγνήτη σε μια γωνία. Και ακόμη και τα περισσότερα στοιχεία του μαγνήτη επέζησαν (πάνω από 95 %), αποδεικνύοντας την ανθεκτικότητα του σχεδίου.

Αυτό που ήταν εξίσου εντυπωσιακό είναι ότι το μοντέλο των ερευνητών πρόβλεψε τέλεια τον τρόπο αποτυχίας του μαγνήτη.

Η εμπειρία δοκίμασε επίσης την εφοδιαστική αλυσίδα για τέτοιο υλικό, χρησιμοποιώντας 300 χιλιόμετρα (186 μίλια) υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας σε συνεργασία με CFS (Commonwealth Fusion Systems, μια εταιρεία απογώγων του MIT)

Το Μέλλον του Υπεραγωγικού Μαγνήτη Σύντηξης

Για κάποιο ακόμη διάστημα, οι αντιδραστήρες σύντηξης θα βασίζονται σε καλά κατανοητούς και δοκιμασμένους υπεραγωγούς που χρησιμοποιούν υγρό ήλιο για να παραμείνουν κάτω από 20 K.

Ωστόσο, φαίνεται ότι η υπεραγωγία υψηλότερων θερμοκρασιών δεν είναι μόνο δυνατή, αλλά πιθανό να υλοποιηθεί σε πολύ πιο διαχειρίσιμες θερμοκρασίες.

Μακροπρόθεσμα, τέτοιοι υπεραγωγικοί μαγνήτες θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση των αντιδραστήρων σύντηξης, καθώς και να μειώσουν το κόστος τους, καθιστώντας τους εμπορικά βιώσιμους.

Αυτό θα ξεκλειδώσει μια σχεδόν απεριόριστη πηγή ενέργειας για την ανθρωπότητα, καθιστώντας τα τρέχοντα προβλήματά μας σχετικά με την παραγωγή τροφίμων, την αφαλάτωση, την κλιματική αλλαγή, τα διαστημικά ταξίδια κ.λπ. ασήμαντα.