Superjohtavuuden rajoitukset

Sähkö on ollut yksi historian mullistavimmista teknologioista, sillä se mahdollistaa erittäin käyttökelpoisen energiamuodon siirtämisen pitkien matkojen päähän. Kaikissa tavallisissa sähköjärjestelmissä esiintyy kuitenkin sähkövastusta, joka synnyttää lämpöä sähkövirran kulkiessa.

Vaihtoehtona ovat suprajohtavat materiaalit. Niiden sähkövastus on nolla, joten erittäin voimakkaita virtoja voidaan käyttää ilman lämmöntuotantoa.

Ilman suprajohtavuutta moni nykyteknologia ei olisi mahdollinen, kuten hiukkaskiihdyttimet (esimerkiksi CERN), magneettikuvauslaitteet ja maglev-junat.

Suprajohtavuus on ratkaiseva osa lupaavimpia megahankkeita ja teknologisia innovaatioita, kuten ITERiä, ydinfuusiota, massakiihdyttimiä ja kvanttitietokoneita.

Häviöttömät sähkönsiirtolinjat voisivat myös mahdollistaa erittäin pitkät verkkoyhteydet, jotka tasaisivat uusiutuvan energian tuotannon vaihtelua sääolojen ja aikavyöhykkeiden välillä ja ratkaisisivat osan aurinko- ja tuulivoiman rajoitteista.

Ongelmana on tähän asti ollut se, että kaikki nämä sovellukset perustuvat matalan lämpötilan suprajohtavuuteen. Materiaalit johtavat ilman vastusta vain jäähdytettyinä esimerkiksi 20 kelviniin eli −253 °C:seen, mikä tavallisesti edellyttää nestemäistä heliumia.

Tämä tekee teknologiasta sekä liian monimutkaista muihin kuin vaativimpiin sovelluksiin, kuten maglev-juniin ja magneettikuvaukseen, että erittäin kallista. Siksi suprajohtavista materiaaleista hyötyvät monet sovellukset ja laajamittainen käyttö jäävät taloudellisesti kannattamattomiksi.

Monia polkuja superjohtavuuteen

Muut suprajohtavuuden muodot kuin äärimmäisen kylmät materiaalit vaativat jatkuvaa, erittäin korkeaa painetta säilyäkseen suprajohtavina. Tämä voi olla kokeellisesti kiinnostavaa, mutta teollisissa sovelluksissa sekä energia- ja liikenneinfrastruktuurissa se on vielä epäkäytännöllisempää.

Korkean lämpötilan suprajohtavuudesta voisi tulla vaihtoehto. Arvoituksellinen esimerkki on LK-99, kuparilla korvattu lyijyapatiitti (CSLA), jonka väitettiin olevan uudenlainen huoneenlämpöinen suprajohde normaalipaineessa. Väite kiistettiin heti ja sitä pidettiin huijauksena tai mittausvirheenä, mutta myöhemmin toiset tutkijat havaitsivat, että ilmiössä saattoi silti olla jotakin todellista.

LK-99:n tapaus osoittaa joka tapauksessa, että emme vielä tiedä läheskään kaikkea suprajohtavuuden mahdollistavista tekijöistä.

Hiljattain myös kierretty kaksikerroksinen WSe₂ eli volframiselenidi osoittautui lupaavaksi materiaaliehdokkaaksi.

Houstonin, Buffalon ja Illinoisin yliopistojen, Taiwanin National Sun Yat-sen -yliopiston sekä Intellectual Venturesin tutkijat laajentavat mahdollisten suprajohtavien materiaalien joukkoa poistamalla korkean paineen tarpeen muulloin kuin materiaalin valmistuksen aikana.

Tulokset julkaistiin¹ Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä (PNAS) otsikolla “Paineen synnyttämän suprajohtavuuden luominen, vakauttaminen ja tutkiminen Bi0.5Sb1.5Te3:ssa normaalipaineessa”.

Superjohtavuus ja paine

Korkean paineen ja suprajohtavuuden yhteyttä on tutkittu yli 30 vuotta siitä lähtien, kun se havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1993. Paine muuttaa materiaalin atomien käyttäytymistä, mikä puolestaan vaikuttaa sen sähköisiin ominaisuuksiin.

«Vuonna 2001 tutkijat epäilivät, että korkean paineen kohdistaminen BST:hen muutti sen Fermi-pinnan topologiaa ja paransi lämpösähköistä suorituskykyä.

Paineen, topologian ja suprajohtavuuden välinen yhteys herätti kiinnostuksemme.»

Professori Liangzi Deng – Houstonin yliopiston tutkija

Pr. Deng (vasemmalla) ja Pr. Chu (oikealla) – Lähde: University of Houston

Jotta materiaali olisi hyödyllinen teollisissa sovelluksissa, sen on tavallisesti säilytettävä kiinnostavat ominaisuutensa metastabiilissa tilassa myös normaaleissa olosuhteissa.

Erittäin korkean paineen tarve on tähän asti sekä vaikeuttanut näissä olosuhteissa suprajohtavien materiaalien tutkimusta että tehnyt käytännön sovelluksista lähes mahdottomia. Kaapelia, magneettia tai rautatiekomponenttia ei voida pitää jatkuvasti näin äärimmäisessä paineessa, mikä on vielä epäkäytännöllisempää kuin nykyisten suprajohteiden vaatima hyvin alhainen lämpötila.

Korkean paineen quenching

Tutkijat onnistuivat nyt säilyttämään suprajohtavat ominaisuudet normaalipaineessa.

Tätä varten he käyttivät erityistä BST-puolijohdemateriaalia eli vismutti-antimoni-telluridia (Bi_0.5Sb₁.5Te₃). Enintään noin 50 gigapascalin paineessa, joka on noin 500 000 kertaa ilmanpainetta suurempi, BST:llä esiintyy kolme suprajohtavaa vaihetta (BST-I, -II ja -III), joista ensimmäinen ilmenee 4 gigapascalissa.

Tutkijat kehittivät painejäähdytysprotokollaksi (PQP) kutsutun menetelmän, jonka avulla paineen synnyttämä faasi säilyy huoneenpaineessa.

Menetelmä säilytti BST-I:n lisäksi myös BST-II- ja BST-III-suprajohtavat faasit.

Tarvittava äärimmäinen paine tuotettiin timanttialasimella.

Lähde: University of Houston

Sähköiset ja magneettiset ominaisuudet analysoitiin erittäin herkällä magnetoitumisominaisuuksien mittausjärjestelmällä (MPMS).

Lähde: University of Houston

Työskentelylämpötilan parantaminen

Testauksessa suprajohtavat faasit olivat aluksi vakaita normaalipaineessa ja säilyivät ajan kuluessa sekä korkeammille lämpötiloille altistettuina.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että kyseessä olisi huoneenlämpöinen suprajohde. Faasit ovat vakaita normaalipaineessa ja osoittavat varsinaista suprajohtavuutta vasta jäähdytettyinä.

BST:n tiedetään muuttuvan suprajohtavaksi 10,2 kelvinissä (−262,9 °C). Tutkijat havaitsivat, että sekä paineen alentaminen että painejäähdytysprotokolla nostivat BST:n siirtymälämpötilaa, joten menetelmä voi auttaa parantamaan nykyisiä suprajohtavia materiaaleja.

«Koe osoittaa selvästi, että korkean paineen synnyttämä faasi voidaan vakauttaa normaalipaineessa hienovaraisen elektronisen siirtymän avulla ilman symmetrian muutosta. Tämä tarjoaa uuden keinon säilyttää kiinnostavat materiaalifaasit ja ominaisuudet, joita tavallisesti esiintyy vain paineen alaisina.

Professori Paul Chu – Houstonin yliopiston tutkija

Tulevaisuuden sovellukset

Vaikka menetelmä ei suoraan tuota uutta suprajohtavaa materiaalia, se avaa uuden tavan löytää ja suunnitella suprajohteita.

Tähän asti korkean paineen suprajohtavuudella on ollut hyvin vähän käytännön sovelluksia, ja huoneenlämpöisen suprajohteen on täytynyt toimia paineen vaikutuksesta riippumatta.

Jos painejäähdytysprotokollaa voidaan soveltaa yleisesti, se voisi vakauttaa normaaliolosuhteissa lupaavia suprajohtavia materiaaleja, jotka ovat tähän asti toimineet vain korkeassa paineessa.

«Koe paljasti kiinnostavasti uuden tavan löytää aineen olomuotoja, joita ei alun perin esiinny normaalipaineessa eikä edes korkean paineen olosuhteissa.

Se osoittaa, että PQP on tehokas työkalu materiaalien faasikaavioiden aiemmin tutkimattomien alueiden tutkimiseen ja luomiseen.

Professori Liangzi Deng – Houstonin yliopiston tutkija

Menetelmä voisi myös parantaa tunnettuja suprajohteita nostamalla niiden siirtymälämpötilaa.

Tämä voisi johtaa peräkkäisiin edistysaskeliin ja lopulta mahdollistaa suprajohteen, joka toimii “vain” 78 kelvinissä (−195 °C), nestemäisen typen kiehumispisteessä. Nestemäistä typpeä on paljon helpompi käsitellä kuin nestemäistä heliumia, jota käytetään esimerkiksi ITERin suprajohtavissa magneeteissa.

Superjohtavuusyritys

AMSC tarjoaa energiaratkaisuja sähköverkkoihin, laivoihin ja tuulivoimaan. Yleisesti ottaen mitä enemmän tehoa järjestelmä käyttää tai mitä suurempi se on, sitä enemmän se tarvitsee suprajohtavaa teknologiaa ylikuumenemisen välttämiseksi.

Nimestään huolimatta AMSC toimittaa suprajohtavien järjestelmien lisäksi esimerkiksi tuuliturbiinien vaihteistoja.

Yritystä tukevat useat kasvutekijät: sähköistyminen ja digitalisaatio, mukaan lukien tekoälypalvelinkeskukset, Yhdysvaltain tuotannon palauttaminen kotimaahan sekä englanninkielisten maiden laivastojen tarve uudistua kasvavien geopoliittisten riskien vuoksi.

Lähde: American Superconductor Corporation

Sähkönsyöttöratkaisuissa AMSC:n tilaukset ovat kasvaneet tasaisesti. Kasvua ovat vauhdittaneet puolijohdetehtaat, jotka haluavat suojautua sähköverkon vaihteluilta, verkkojen tarve tasata uusiutuvan energian ajoittaisuutta sekä teollisuuslaitosten sähkönsyöttö- ja ohjausjärjestelmät.

Lähde: American Superconductor Corporation

Tuuliturbiinisegmentissä AMSC keskittyy pääasiassa sähköisiin ohjausjärjestelmiin (ECS). Kahden megawatin turbiinien ECS oli aiemmin yritykselle vahva liiketoiminta-alue, mutta se on vähitellen supistunut. AMSC tavoittelee elpymistä uuden kolmen megawatin turbiinimallin avulla ja painottaa erityisesti Intian markkinoita.

Lähde: American Superconductor Corporation

Sotalaivoille AMSC toimittaa korkean lämpötilan suprajohtavaa magneettista miinantorjuntajärjestelmää, joka muuttaa alusten magneettista tunnistettavuutta ja suojaa niitä merimiinoilta. Järjestelmää on myyty Yhdysvaltain, Kanadan ja Ison-Britannian laivastoille yhteensä 75 miljoonan dollarin tilausarvolla.

Kokonaisuutena AMSC menestyy hyödyntämällä suprajohtavaa teknologiaa jo nyt käyttökelpoisissa erikoissovelluksissa ja on todennäköisesti valmis ottamaan tulevat edistysaskeleet käyttöön. Sijoittajien on kuitenkin huomioitava, että osake on ollut erittäin ailahteleva, ja arvioitava riskit sen mukaisesti.

Tutkimusviite:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}