Edistys superjohtavuudessa avaa tietä uudelle teknologiselle vallankumoukselle

Superjohtavuuden rajoitukset

Sähkö on ollut yksi historian merkittävimmistä mullistavista teknologioista, mahdollistaen erittäin hyödyllisen energiamuodon siirron pitkiä matkoja. Mutta jokainen sähköjärjestelmä kohtaa sähkövastuksen, mikä aiheuttaa lämmön syntymisen, kun sähkövirta kulkee.

Vaihtoehto on olemassa, niin kutsuttu superjohtava materiaali. Superjohtavilla materiaaleilla on nollasähkövastus, mikä mahdollistaa äärimmäisen voimakkaiden virtojen käytön ilman lämmön tai voimakkaiden magneettikenttien syntymistä.

Ilman superjohtavuutta monet nykyaikaiset teknologiat eivät olisi mahdollisia, kuten hiukkaskiihdyttimet, MRI ja magneettilevijunat.

Ongelma on, että kaikki nämä sovellukset perustuvat matalalämpötilaisen superjohtavuuden, jossa materiaalit ovat superjohtavia vain jäähdytettäessä ne mataliin lämpötiloihin, kuten 20 K/-253 °C/-423 °F, myös nestemäisen heliumilla.

Joissakin sovelluksissa, kuten kokeellisten fuusioreaktorien magneeteissa, vaadittava lämpötila voi olla jopa 4 K (vain 4 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella), vaikka tilanne paranee (katso alapuolelta).

Tällaiset äärimmäisen matalat lämpötilat ovat vaikeita ylläpitää ja kuluttavat paljon energiaa. Siksi, vaikka muut teknologiat ja sovellukset voisivat hyötyä superjohtavuudesta, se on harvoin taloudellisesti kannattavaa tehdä niin.

Korkean lämpötilan superjohtavuus

Siksi näkökohta materiaaleista, jotka voivat pysyä superjohtavina korkeammissa lämpötiloissa, on jännittävä. Tässä yhteydessä ”korkea” lämpötila voi olla niin kylmä kuin -185 °C – -135 °C, mutta tämä on paljon helpompi saavuttaa kuin perinteinen superjohtavuuslämpötila, kun käytetään nestemäistä typpeä nestemäisen heliuminin sijaan.

Mutta tietysti ihanteellinen materiaali olisi superjohtava lämpötiloissa juuri pakkasen alapuolella tai jopa huoneenlämmössä.

Huoneenlämpöinen superjohtavuus

Kesällä 2023 uutinen leviää viraalisti tieteellisen artikkelin julkaisun jälkeen, jonka otsikko on “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor“. Materiaalia nimeltä LK-99 kuvattiin toimivan superjohtajana jopa 127 °C/260 °F. Se, että se käytti tavallisia materiaaleja kuten kuparia ja lyijyä (kuparilla korvattu lyijyapatitti – CSLA), lisäsi löydön potentiaalia.

Kuparikiteet – Lähde: DOE

Se aiheutti jopa pienen kuplan superjohtavuuteen liittyvissä osakkeissa, esimerkiksi +60 % nousun American Superconductor (AMSC ) -osakkeiden hinnassa.

Väite kiistettiin välittömästi ja todettiin vaikeaksi toistaa.

LK-99 superjohtavuustarina

Mutta tämä tarina ei ole vielä ohi. Tammikuussa 2024 kaksi muuta tutkimusryhmää ovat myös havainneet LK-99:n potentiaalin superjohtavuuteen.

Mielenkiintoista on, että jokainen tiimi loi oman versionsa LK-99:stä eri valmistusmenetelmillä, mikä viittaa siihen, että havaitut tulokset liittyvät todennäköisesti materiaaliin enemmän kuin mahdollisiin epäpuhtauksiin tai virheisiin.

Joten on olemassa toivoa, että tämä ei ole väärä hälytys. Näyttää siltä, että valmistusprosessi on toistaiseksi äärimmäisen tehoton, mikä tekee testien negatiivisesta tuloksesta helpon.

Siksi ei ehkä ole yllättävää, että LK-99:n alkuperäisen löydön toistaminen on ollut kaikkea muuta kuin suoraviivaista.

“…jopa näytteet, jotka on synteettisesti valmistettu nykyisen parhaiten tunnetun prosessin (sen, jota he käyttivät) mukaisesti, sisältävät suuren prosenttiosuuden ei-superjohtavaa ainetta sekoitettuna oletettavasti superjohtaviin osiin. Tässä tilanteessa on helppoa virheellisesti julistaa näytteet kuolleiksi jopa testauksen jälkeen.

yksi superjohtavista näytteistä, joihin heidän paperinsa perustui, valmistettiin marraskuussa 2023, todettiin epäonnistuneeksi, ja se oli ollenkin hävitetty useissa elinkaaren vaiheissa.

Lähde: Tom’s Hardware

Superjohtavuuden potentiaali

Vaikka huoneenlämpöiset superjohtimet pysyvätkin vaikeasti saavutettavina, tutkijat saattavat löytää tavan pitää materiaali superjohtavana lämpötiloissa, jotka ovat “korkeat” -80 °C – -70 °C.

Tämä muuttaisi täysin mahdollisia sovelluksia, sillä superjohtavuus voisi silloin perustua pakastimissa käytettyyn jäähdytysteknologiaan, jolla säilytetään mRNA-rokotteita, sen sijaan että käytettäisiin kalliimpaa nestemäistä helium- tai typpijäähdytystä.

Mahdollisten sovellusten, joista on jo 1990-luvulla keskusteltu joukossa ovat:

• Parempi MRI, jolla on korkeampi tarkkuus ja joka on edullisempi rakentaa ja käyttää, mahdollistaa sen tulevan paljon tavallisemmaksi lääketieteelliseksi tutkimukseksi.
• Sähkömagneettiset työntövoimajärjestelmät (myös kutsutaan magnetohydrodynaamisiksi (MHD) ohjaimiksi) alusten työntämiseksi sähköistämällä merivesi.
• Tehokkaammat ja energiatehokkaammat sähkömoottorit.
• Korkeamman energian tiheyden ja turvallisemmat akut, joissa käytetään Superjohtavaa magneettien energian varastointia (SMES).
• Superjohtavat rajoittimet, kytkimet ja sulakkeet sähköverkon infrastruktuurin parantamiseksi.
• Häviöttömät pitkän matkan sähkönsiirrot, mikä voisi lisätä uusiutuvan energian tehokkuutta, esimerkiksi aurinkopaneelit, jotka pysyvät auringossa ja tuottavat energiaa kaupunkiin tuhansien kilometrien päässä.
• Edullisemmat ja helpommin ylläpidettävät maglev-junat tai myöhemmin Hyperloop-järjestelmät.
• Anturit/magnetometrit (Superjohtavat kvantti-interferenssilaitteet – SQUIDS) teollisissa sovelluksissa.
• Superjohtava kvanttilaskenta
  • (lisätietoa kvanttilaskennan edistymisestä löydät artikkelissamme “The Current State of Quantum Computing ”).
• Puolustus- ja avaruusteollisuuden sovellukset, mukaan lukien säteilysuojat, sähkömagneettiset laukaisut, magneettikyljet, anturit, rautakoneet, kela-aseet, laserit ja muut energiasodat.

Lähde: DOE

Superjohtavuus ja ydinfuusio

Ydinfuusio on toinen sovellus, joka hyötyisi suuresti superjohtimista, jotka toimivat korkeammissa lämpötiloissa.

Kaikki erilaiset kaupallisen ydinfuusion saavuttamisen menetelmät perustuvat äärimmäisen voimakkaisiin magneetteihin, jotka pitävät ja puristavat kymmeniä tai satoja miljoonia asteita kuumentunutta plasmaa.

Ensimmäisen menestyksen jälkeen vuonna 2021 MIT:n Plasma Science and Fusion Center (PSFC) -tutkimusryhmä työskenteli superjohtavan magneetin kehittämiseksi, joka olisi tarpeeksi voimakas käytettäväksi ydinfuusioreaktoreissa.

Uusi fuusiomagneettisuunnittelu on superjohtava 16 K:ssa aiemman 4 K:n sijaan. Yksi keskeinen innovaatio on kaiken eristyksen poistaminen magneetin johtavan langan ympäriltä. Tämä puolestaan vapautti tilaa lisäparannuksille, kuten yksinkertaisemmalle valmistusprosessille tai suuremmalle rakenteelliselle kestolle.

Lähde: Phys.org

“Ennen 5. syyskuuta tapahtunutta demonstraatiota parhaat saatavilla olevat superjohtavat magneetit olivat riittävän voimakkaita mahdollisesti saavuttamaan fuusiovoiman – mutta vain sellaisilla kooilla ja kustannuksilla, jotka eivät koskaan olleet käytännöllisiä tai taloudellisesti kannattavia. Sitten, kun testit osoittivat tällaisen vahvan magneetin käytännöllisyyden huomattavasti pienemmällä koolla, “yön yli se periaatteessa muutti fuusioreaktorin kustannuksen per watin lähes 40-kertaiseksi yhdessä päivässä”.

Dennis Whyte – Hitachi America Professor of Engineering

He julkaisi löydöksensä kokoelmassa, jossa on 6 tieteellistä artikkelia julkaistu IEEE Transactions on Applied Superconductivity. He selittivät yksityiskohtaisesti, miten rakentaa tällaisia 16 K fuusiomagneetteja, jotka tuottavat 20 teslan intensiivisen magneettikentän.

Rajan testaaminen

Halutessaan todistaa, että uusi fuusiomagneettisuunnittelu voi toimia turvallisesti, he asettivat sen myös aktiivisesti vaikeisiin tilanteisiin. Viimeinen testi johti magneetin osittaiseen sulamiseen yhdessä kulmassa. Ja jopa suurin osa magneetin osista selviytyi (yli 95 %), mikä osoitti suunnittelun kestävyyden.

Yhtä vaikuttavaa oli, että tutkijoiden malli ennusti täydellisesti magneetin epäonnistumisen tavan.

Kokemus testasi myös tällaisen materiaalin toimitusketjua, käyttäen 300 kilometriä (186 mailia) korkean lämpötilan superjohtimia yhteistyössä CFS (Commonwealth Fusion Systems, MIT:n spin‑off‑yritys) kanssa.

Fuusiomagneetin tulevaisuus superjohtavina

Vielä jonkin aikaa fuusioreaktorit tulevat luottamaan hyvin tunnettuihin ja testattuihin superjohtimiin, jotka käyttävät nestemäistä heliumia pysyäkseen alle 20 K.

Kuitenkin vaikuttaa siltä, että korkeamman lämpötilan superjohtavuus ei ole vain mahdollinen, vaan todennäköisesti toteutettavissa paljon hallittavammissa lämpötiloissa.

Pitkällä aikavälillä tällaiset superjohtavat magneetit voisivat parantaa fuusioreaktoreiden suorituskykyä sekä alentaa niiden hintaa, mahdollistaen kaupallisen kannattavuuden.

Tämä avaisi lähes rajoittamattoman energialähteen ihmiskunnalle, tehden nykyiset ongelmamme, kuten ruoan tuotanto, veden suolanpoisto, ilmastonmuutos, avaruusmatkailu ym., merkityksettömiksi.