Superconductivity Limitations

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

एक विकल्प मौजूद है: तथाकथित सुपरकंडक्टिव सामग्री। सुपरकंडक्टिव सामग्री का विद्युत प्रतिरोध शून्य होता है, जिससे अत्यधिक शक्तिशाली धारा को बिना गर्मी उत्पन्न किए उपयोग किया जा सकता है।

सुपरकंडक्टिविटी के बिना, कई आधुनिक तकनीकें संभव नहीं होतीं, जिसमें कण त्वरक (उदाहरण के लिए, CERN), MRI, और maglev trains शामिल हैं।

सुपरकंडक्टिविटी सबसे आशाजनक मेगाप्रोजेक्ट्स और तकनीकी नवाचारों का एक महत्वपूर्ण घटक होगी, जैसे ITER और nuclear fusion, mass drivers, quantum computers, आदि।

शून्य-हानि विद्युत पावर लाइनों का विकास अल्ट्रा-लंबी ग्रिड कनेक्शन बनाने में भी महत्वपूर्ण हो सकता है, जो मौसम की स्थितियों और समय क्षेत्रों में नवीकरणीय ऊर्जा के उत्पादन को संतुलित करने में मदद करता है, और सौर तथा पवन ऊर्जा की कुछ सीमाओं को हल करता है।

अब तक समस्या यह है कि ये सभी अनुप्रयोग कम तापमान वाली सुपरकंडक्टिविटी पर आधारित हैं, जहाँ सामग्री केवल 20 K/-253 °C/-423 °F जैसे बहुत कम तापमान पर ठंडी करने पर ही सुपरकंडक्टिव होती है, आमतौर पर इसके लिए तरल हीलियम की आवश्यकता होती है।

यह न केवल सबसे मांगलिक अनुप्रयोगों (जैसे मैग्लेव, MRI, आदि) के लिए अत्यधिक जटिल बनाता है, बल्कि बहुत महंगा भी है, जिससे कई ऐसे अनुप्रयोग जिनसे लाभ हो सकता है, आर्थिक रूप से अस्थिर हो जाते हैं।

Many Paths To Superconductivity

अति-शीतल सामग्री के अलावा अन्य प्रकार की सुपरकंडक्टिविटी के लिए सामग्री को सुपरकंडक्टिव रखने हेतु निरंतर अत्यधिक उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। यह प्रयोगात्मक दृष्टिकोण से रोचक हो सकता है, लेकिन औद्योगिक अनुप्रयोगों या ऊर्जा और परिवहन बुनियादी ढांचों के लिए और भी कम व्यावहारिक है।

उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिविटी एक विकल्प बन सकती है, विशेष रूप से LK-99 (तांबा-प्रतिस्थापित सीसा एपेटाइट – CSLA) के रहस्यमय मामले के साथ, जो एक नई प्रकार की पर्यावरणीय दबाव, कमरे के तापमान की सुपरकंडक्टर है। इस दावे को तुरंत ही धोखा या माप त्रुटि के रूप में चुनौती दी गई और आलोचना की गई, लेकिन फिर अन्य शोधकर्ताओं ने पाया कि वास्तव में कुछ हो रहा हो सकता है।

वैसे भी, LK-99 का मामला दर्शाता है कि हम अभी भी यह नहीं जानते कि सुपरकंडक्टिविटी को संभव बनाने वाले सभी कारक क्या हैं।

हाल ही में, twisted bilayer of WSe₂ (टंगस्टन सेलेनियम) भी एक अच्छा सामग्री उम्मीदवार प्रतीत हुआ।

ह्यूस्टन विश्वविद्यालय, बफ़ेलो विश्वविद्यालय, इलिनोइस विश्वविद्यालय, राष्ट्रीय सन येट-सेन विश्वविद्यालय (ताइवान), और इंटेलेक्चुअल वेंचर के शोधकर्ता संभावित सुपरकंडक्टिव सामग्री के क्षेत्र को और विस्तारित कर रहे हैं, जिससे सामग्री के निर्माण के दौरान उच्च दबाव की आवश्यकता को छोड़ दिया गया है।

उन्होंने अपने परिणाम¹ को नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज़ (PNAS) की प्रोसीडिंग्स में प्रकाशित किया, शीर्षक “Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3” के अंतर्गत।

Superconductivity & Pressure

उच्च दबाव और सुपरकंडक्टिविटी के बीच संबंध का अध्ययन अब 30 से अधिक वर्षों से किया जा रहा है, जब से उनका प्रारंभिक खोज 1993 में हुई थी। जो होता है वह यह है कि दबाव सामग्री के परमाणु व्यवहार को बदलता है, जो बदले में उसकी विद्युत गुणों को प्रभावित करता है।

“2001 में, वैज्ञानिकों ने संदेह किया था कि BST पर उच्च दबाव लागू करने से उसका फर्मी सतह टोपोलॉजी बदल जाता है, जिससे थर्मोइलेक्ट्रिक प्रदर्शन में सुधार होता है।

दबाव, टोपोलॉजी और सुपरकंडक्टिविटी के बीच यह संबंध हमारी रुचि को जगाया।”

Pr. Liangzi Deng – University of Houston में शोधकर्ता

Pr. Deng (left) and Pr. Chu (right) – स्रोत: University of Houston

समस्या यह है कि किसी सामग्री को औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होने के लिए, आमतौर पर उसे एक मेटास्टेबल अवस्था में रोचक गुण प्रदर्शित करने चाहिए, ताकि वह “सामान्य” परिस्थितियों में इन गुणों को बनाए रख सके।

अब तक, अत्यधिक उच्च दबाव की आवश्यकता ने न केवल इन परिस्थितियों में सुपरकंडक्टिव सामग्री के अध्ययन को बाधित किया है, बल्कि भविष्य के व्यावहारिक अनुप्रयोगों को भी बहुत कठिन बना दिया है, क्योंकि केबल, चुंबक, या रेलमार्ग घटक को ऐसी अत्यधिक दबाव स्थितियों में रखना संभव नहीं है, और वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले सुपरकंडक्टर्स के अल्ट्रा-कोल्ड स्थितियों की आवश्यकता से भी कम।

High-Pressure Quenching

सामान्य दबाव पर सुपरकंडक्टिविटी गुणों को बनाए रखना वही है जो शोधकर्ताओं ने अभी हासिल किया है।

इसके लिए, उन्होंने एक विशेष अर्धचालक सामग्री जिसका नाम BST (बिस्मथ-एंटिमनी-टेल्यूरियम / Bi_0.5Sb₁.5Te₃) है, का उपयोग किया। ~50 GPa (गिगापास्कल) तक के दबाव पर, जो वायुमंडलीय दबाव (1 बार) से 500,000 गुना अधिक है, BST तीन सुपरकंडक्टिव चरण (BST-I, -II, और -III) प्रदर्शित करता है, जिसमें पहला चरण 4 GPa पर प्रकट होता है।

शोधकर्ताओं ने एक प्रक्रिया विकसित की जिसे प्रेशर-क्वेंच प्रोटोकॉल (PQP) कहा जाता है, जो दबाव-प्रेरित चरण को कमरे के दबाव पर स्थायी रखने की अनुमति देती है।

केवल BST-I सुपरकंडक्टिव चरण ही नहीं, बल्कि BST-II और -III चरण भी संरक्षित रहे।

उन्होंने आवश्यक अत्यधिक दबाव प्राप्त करने के लिए एक डायमंड एनीवल का उपयोग किया।

स्रोत: University of Houston

विद्युत और चुंबकीय गुणों का विश्लेषण एक बहुत संवेदनशील उपकरण Magnetization Property Measurement System (MPMS) का उपयोग करके किया गया।

स्रोत: University of Houston

Improving The Working Temperature

परीक्षण के दौरान, ये सुपरकंडक्टिव चरण न केवल प्रारंभिक रूप से कमरे के दबाव पर स्थिर थे, बल्कि समय के साथ और उच्च तापमान के संपर्क में भी इन स्थितियों को बनाए रखा।

हालांकि, इसका अर्थ यह नहीं है कि यह कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टर है, बल्कि यह कि ये चरण सामान्य दबाव में स्थिर हैं और ठंडा करने पर वास्तविक सुपरकंडक्टिविटी प्रदर्शित कर सकते हैं।

BST को 10.2 K (-262.9 °C / -441.3 °F) पर सुपरकंडक्टिविटी प्रदर्शित करने के लिए जाना जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि डिप्रेसराइजेशन और प्रेशर-क्वेंच प्रोटोकॉल दोनों ने BST के संक्रमण तापमान को सुधारा, जिससे यह मौजूदा सुपरकंडक्टिव सामग्री को सुधारने के लिए एक अच्छा विकल्प बनता है।

“यह प्रयोग स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि कोई उच्च-दाब-प्रेरित चरण को पर्यावरणीय दबाव पर एक सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण के माध्यम से, बिना सममिति परिवर्तन के, स्थिर कर सकता है, जो रुचिकर सामग्री चरणों और मूल्यों को बनाए रखने का एक नया मार्ग प्रदान करता है, जो सामान्यतः केवल दबाव में ही मौजूद होते हैं।”

Pr. Paul Chu – University of Houston में शोधकर्ता

Future Applications

हालांकि यह तुरंत सुपरकंडक्टिव सामग्री नहीं बनाता, यह सुपरकंडक्टिव सामग्री की खोज और डिजाइन के लिए एक नई विधि का मार्ग खोलता है।

अब तक, उच्च-दाब सुपरकंडक्टिविटी के बहुत कम व्यावहारिक अनुप्रयोग रहे हैं, और कमरे के तापमान का सुपरकंडक्टर इस विशेषता को दबाव के प्रभाव से स्वतंत्र रूप से प्रदर्शित करना चाहिए।

यदि प्रेशर-क्वेंच प्रोटोकॉल को सामान्यीकृत किया जा सके, तो यह सामान्य परिस्थितियों में उन आशाजनक सुपरकंडक्टिव सामग्रियों को स्थिर करने में मदद कर सकता है, जो अब तक केवल उच्च दबाव पर काम करती थीं।

“रोचक रूप से, इस प्रयोग ने एक नई विधि उजागर की जो मूल रूप से पर्यावरणीय दबाव या यहां तक कि उच्च-दाब स्थितियों में मौजूद नहीं होने वाली नई पदार्थ अवस्थाओं की खोज करती है।

यह दर्शाता है कि PQP सामग्री चरण आरेखों के अनछुए क्षेत्रों की खोज और निर्माण के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।

Pr. Liangzi Deng – University of Houston में शोधकर्ता

यह ज्ञात सुपरकंडक्टर्स को भी सुधार सकता है ताकि उनका संक्रमण तापमान अधिक हो।

यह क्रमिक अवस्थाओं के लिए मार्ग खोल सकता है, जिससे ऐसा सुपरकंडक्टर बनाना संभव हो सके जो केवल 78 K (-195 °C / -319 °F) पर काम करे, अर्थात् तरल नाइट्रोजन का उबलन बिंदु, जो तरल हीलियम की तुलना में बहुत आसान हैंडल करने वाला कूलेंट है, जिसे उदाहरण के तौर पर वर्तमान में ITER के सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट्स में उपयोग किया जाता है।

Superconductivity Company

AMSC एक कंपनी है जो पावर ग्रिड, जहाजों और पवन ऊर्जा के लिए ऊर्जा समाधान प्रदान करती है। सामान्यतः, जितना अधिक शक्ति-खपत वाला या विशाल सिस्टम होता है, उतनी ही अधिक इसे ओवरहीटिंग से बचने के लिए सुपरकंडक्टिंग तकनीक की आवश्यकता होती है।

अपने नाम के बावजूद, ASMC न केवल सुपरकंडक्टर सिस्टम प्रदान करता है बल्कि उदाहरण के तौर पर पवन टरबाइन के लिए गियर ड्राइवट्रेन भी प्रदान करता है।

कंपनी कई विकास प्रेरकों पर चल रही है, जैसे इलेक्ट्रिफिकेशन का रुझान, डिजिटलाइजेशन (AI डेटा सेंटर सहित), लेकिन साथ ही अमेरिकी विनिर्माण क्षमताओं का पुनर्स्थापन और एंग्लोस्फीयर के नौसेनाओं को बढ़ते भू-राजनीतिक जोखिमों के जवाब में आधुनिकीकरण की आवश्यकता।

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

पावर सप्लाई सेक्शन में, AMSC ने आदेशों में निरंतर वृद्धि देखी है। यह सेमीकंडक्टर फैब्स द्वारा पावर ग्रिड में उतार-चढ़ाव से सुरक्षा की इच्छा, नवीकरणीय ऊर्जा की अस्थिर प्रकृति से ग्रिड को संभालने में मदद, और औद्योगिक साइटों पर पावर सप्लाई एवं नियंत्रणों द्वारा प्रेरित था।

स्रोत: American Superconductor Corporation

विंड टरबाइन सेक्शन में, AMSC मुख्यतः इलेक्ट्रिकल कंट्रोल सिस्टम (ECS) के साथ सक्रिय है। ऐतिहासिक रूप से, ESC कंपनी के लिए 2 MW विंड टरबाइनों के साथ एक मजबूत सेक्शन था, लेकिन यह धीरे-धीरे घटता गया। AMSC नई 3 MW टरबाइन डिजाइन के कारण पुनरुत्थान का लक्ष्य रखता है, विशेष रूप से भारतीय बाजार पर ध्यान केंद्रित करते हुए।

स्रोत: American Superconductor Corporation

सैन्य जहाजों के लिए, ASMC “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure” प्रदान करता है, जो जहाजों के चुंबकीय हस्ताक्षर को बदलकर उन्हें समुद्री माइन से बचाता है। यह प्रणाली अब तक अमेरिकी, कनाडाई और ब्रिटिश नौसेनाओं को बेची गई है, जिसमें $75 M के ऑर्डर शामिल हैं।

समग्र रूप से, ASMC आज उपलब्ध विशिष्ट अनुप्रयोगों में सुपरकंडक्टर तकनीक का उपयोग करके सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन कर रहा है, जबकि भविष्य में आगे की प्रगति को लागू करने के लिए तैयार है। निवेशकों को यह भी ध्यान देना चाहिए कि स्टॉक ने अतीत में अत्यधिक अस्थिरता का अनुभव किया है, और जोखिमों की गणना उसी अनुसार करनी चाहिए।

अध्ययन संदर्भ:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Bi0.5Sb1.5Te3 में दबाव-प्रेरित सुपरकंडक्टिविटी के पर्यावरणीय दबाव पर निर्माण, स्थिरीकरण और जांच. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}