सुपरकंडक्टिविटी में प्रगति नई तकनीकी क्रांति का मार्ग प्रशस्त कर रही है

सुपरकंडक्टिविटी की सीमाएँ

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 electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

विद्युत इतिहास में सबसे परिवर्तनकारी तकनीकों में से एक रही है, जो लंबी दूरी पर बहुत उपयोगी ऊर्जा के रूप का संचरण संभव बनाती है। लेकिन हर विद्युत प्रणाली में प्रतिरोध होता है, जिससे विद्युत धारा लागू होने पर गर्मी उत्पन्न होती है।

एक विकल्प मौजूद है, जिसे सुपरकंडक्टिव सामग्री कहा जाता है। सुपरकंडक्टिव सामग्री का विद्युत प्रतिरोध शून्य होता है, जिससे अत्यधिक शक्तिशाली धारा को बिना गर्मी या शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों के उत्पन्न किए उपयोग किया जा सकता है।

सुपरकंडक्टिविटी के बिना, कई आधुनिक तकनीकें संभव नहीं होतीं, जैसे कण त्वरक, एमआरआई, और मैग्लेव ट्रेनें।

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, तरल हीलियम सहित, ठंडा करने पर ही सुपरकंडक्टिव बनती है।

कुछ अनुप्रयोगों जैसे प्रयोगात्मक फ्यूजन रिएक्टरों में चुंबकों के लिए आवश्यक तापमान 4°K (शून्य के केवल 4 डिग्री ऊपर) तक कम हो सकता है, हालांकि यह सुधार रहा है (नीचे देखें)।

ऐसे अत्यंत कम तापमान को बनाए रखना कठिन है और बहुत ऊर्जा की खपत करता है। इसलिए, जबकि अन्य तकनीकों और अनुप्रयोगों को सुपरकंडक्टिविटी से लाभ मिल सकता है, यह आर्थिक रूप से शायद ही संभव हो पाता है।

उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिविटी

This is why the prospect of materials being able to stay superconductive at higher temperatures is an exciting prospect. In that context, “उच्च” तापमान -185°C से -135°C तक ठंडा हो सकता है लेकिन यह पारंपरिक सुपरकंडक्टिव तापमान की तुलना में बहुत आसान है, क्योंकि इसमें तरल हीलियम के बजाय तरल नाइट्रोजन का उपयोग किया जाता है।

लेकिन बेशक, आदर्श सामग्री वह होगी जो शून्य बिंदु के ठीक नीचे या यहाँ तक कि कमरे के तापमान पर भी सुपरकंडक्टिव हो।

कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टिविटी

In the summer of 2023, a piece of समाचार वायरल हुआ after the publication of a scientific article titled “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”. A material called LK-99 was described as working as a superconductor up to 127°C/260°F. That it used common materials like copper and lead (copper-substituted lead apatite – CSLA) only added to the potential of the discovery.

तांबे के क्रिस्टल – स्रोत: DOE

इससे सुपरकंडक्टिविटी से संबंधित शेयरों में एक माइक्रो-बबल भी उत्पन्न हुआ, उदाहरण के लिए, American Superconductor (AMSC ) के शेयर मूल्यों में +60% की वृद्धि हुई।

दावा तुरंत ही चुनौतीपूर्ण साबित हुआ और दोहराना कठिन पाया गया।

LK-99 सुपरकंडक्टिविटी कहानी

लेकिन यह कहानी अभी समाप्त नहीं हुई है। जनवरी 2024 में, दो अन्य शोध टीमों ने भी LK-99 की संभावनाओं को देखा है सुपरकंडक्टिविटी।

दिलचस्प बात यह है कि प्रत्येक टीम ने विभिन्न निर्माण विधियों के माध्यम से LK-99 का अपना संस्करण पुनः निर्मित किया, जिससे संकेत मिलता है कि देखे गए परिणाम संभवतः किसी संभावित अशुद्धि या त्रुटि से अधिक सामग्री से जुड़े हैं।

इसलिए कुछ आशा है कि यह झूठा अलार्म नहीं है। ऐसा प्रतीत होता है कि वर्तमान में निर्माण प्रक्रिया अत्यंत अक्षम है, जिससे परीक्षण का नकारात्मक परिणाम आना आसान हो जाता है।

इसलिए यह आश्चर्यजनक नहीं है कि LK-99 की प्रारंभिक खोज को दोहराना बिल्कुल भी सरल नहीं रहा है।

“…वर्तमान में ज्ञात सर्वोत्तम प्रक्रिया (जिसका उन्होंने उपयोग किया) के अनुसार संश्लेषित नमूनों में अक्सर गैर-सुपरकंडक्टिव पदार्थ का उच्च प्रतिशत मिश्रित रहता है, जबकि वे सुपरकंडक्टिव माने जाते हैं। इस स्थिति में, परीक्षण के बाद भी नमूनों को गलत तरीके से मृत घोषित करना आसान होता है।

उनके द्वारा अपने पेपर में उपयोग किए गए सुपरकंडक्टिव नमूनों में से एक को नवंबर 2023 में निर्मित किया गया था, जिसे एक विफल नमूना माना गया, और इसके जीवन के कई बिंदुओं पर इसे नष्ट करने की योजना थी।

स्रोत: Tom’s Hardware

सुपरकंडक्टिविटी की संभावनाएँ

भले ही कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टर्स अभी भी दुर्लभ हों, शोधकर्ता सामग्री को -80°C से -70°C जैसे “उच्च” तापमान पर भी सुपरकंडक्टिव रखने का तरीका खोज सकते हैं।

यह संभावित अनुप्रयोगों को पूरी तरह बदल देगा, क्योंकि सुपरकंडक्टिविटी अब महंगे तरल हीलियम या नाइट्रोजन के बजाय mRNA वैक्सीन संग्रहीत करने वाले फ्रीज़र में उपयोग की जाने वाली शीतलन तकनीक पर निर्भर हो सकती है।

1990 के दशक में पहले से चर्चा किए गए संभावित अनुप्रयोगों में शामिल हैं:

• बेहतर एमआरआई, उच्च रिज़ॉल्यूशन और निर्माण एवं संचालन में कम लागत के साथ, इसे एक अधिक सामान्य चिकित्सा परीक्षण बनाता है।
• इलेक्ट्रोमैग्नेटिक थ्रस्ट ड्राइव सिस्टम (जिसे भी magnetohydrodynamic (MHD) ड्राइव कहा जाता है) समुद्री जल को विद्युतित करके जहाज़ों को आगे बढ़ाते हैं।
• अधिक शक्तिशाली और कुशल इलेक्ट्रिक इंजन।
• उच्च घनत्व और सुरक्षित बैटरियां Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) के साथ।
• सुपरकंडक्टिव लिमिटर, स्विच, और फ्यूज इलेक्ट्रिक ग्रिड बुनियादी ढांचे को सुधारने के लिए।
• लॉस के बिना लंबी दूरी की पावर ट्रांसमिशन, जो नवीकरणीय ऊर्जा दक्षता को बढ़ा सकता है, उदाहरण के लिए सौर पैनलों को सूर्य में ही रहने देकर हजारों किलोमीटर दूर शहर को ऊर्जा प्रदान करना।
• कम लागत और रखरखाव में आसान मैग्लेव ट्रेनें या बाद में हाइपरलूप सिस्टम।
• सेंसर/मैग्नेटोमीटर (Superconducting Quantum Interference Devices – SQUIDS) औद्योगिक सेटिंग्स में उपयोग के लिए।
• सुपरकंडक्टिव क्वांटम कंप्यूटिंग
  • (आप हमारे लेख “The Current State of Quantum Computing ” में क्वांटम कंप्यूटिंग प्रगति के बारे में अधिक पढ़ सकते हैं।)
• रक्षा & एयरोस्पेस अनुपयोग, जिसमें विकिरण शील्ड, इलेक्ट्रोमैग्नेटिक लॉन्च, मैग्नेटिक बियरिंग, सेंसर, रेलगन, कोइलगन, लेज़र, और अन्य ऊर्जा हथियार शामिल हैं।

स्रोत: DOE

सुपरकंडक्टिविटी और नाभिकीय फ्यूजन

नाभिकीय फ्यूजन एक और अनुप्रयोग है जो उच्च तापमान पर कार्य करने वाले सुपरकंडक्टर्स से बहुत लाभान्वित होगा।

व्यावसायिक नाभिकीय फ्यूजन प्राप्त करने के सभी विभिन्न तरीकों में अत्यधिक शक्तिशाली चुंबकों पर निर्भरता होती है, जो दशकों या सैकड़ों मिलियन डिग्री पर गर्म प्लाज़्मा को संकुचित और नियंत्रित करते हैं।

2021 में प्रारंभिक सफलता के बाद, MIT के प्लाज़्मा साइंस एंड फ्यूजन सेंटर (PSFC) की एक शोध टीम ने एक ऐसा सुपरकंडक्टिव चुंबक बनाने पर काम किया जो नाभिकीय फ्यूजन रिएक्टरों में उपयोगी हो सके।

नया फ्यूजन चुंबक डिज़ाइन 16°K पर सुपरकंडक्टिव है, जबकि पहले 4°K पर था। एक प्रमुख नवाचार यह है कि चुंबक की चालक तार के चारों ओर की सभी इन्सुलेशन को हटा दिया गया। इससे आगे के सुधारों के लिए जगह मिली, जैसे सरल निर्माण प्रक्रिया या अधिक संरचनात्मक मजबूती।

स्रोत: Phys.org

“5 सितंबर के प्रदर्शन से पहले, उपलब्ध सर्वोत्तम सुपरकंडक्टिंग चुंबक पर्याप्त शक्तिशाली थे ताकि संभावित रूप से फ्यूजन ऊर्जा प्राप्त की जा सके—लेकिन केवल ऐसे आकार और लागत पर जो कभी व्यावहारिक या आर्थिक रूप से संभव नहीं थे। फिर, जब परीक्षणों ने दिखाया कि इस तरह के मजबूत चुंबक को बहुत छोटे आकार में भी व्यावहारिक बनाया जा सकता है, “रातोंरात, इसने फ्यूजन रिएक्टर की प्रति वाट लागत को लगभग 40 गुना घटा दिया एक ही दिन में”

Dennis Whyte – Hitachi America Professor of Engineering

उन्होंने अपनी खोजों को 6 वैज्ञानिक पत्रों के एक संकलन में प्रकाशितIEEE Transactions on Applied Superconductivity में प्रकाशित किया। उन्होंने विस्तार से बताया कि ऐसे 16°K फ्यूजन चुंबकों को कैसे बनाया जाए, जो 20 टेस्ला की तीव्रता वाला चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं।

सीमा का परीक्षण

नए फ्यूजन चुंबक डिज़ाइन की सुरक्षित कार्यक्षमता सिद्ध करने के उत्सुक, उन्होंने इसे सक्रिय रूप से कठिन परिस्थितियों में परीक्षण किया। अंतिम परीक्षण में चुंबक के एक कोने में आंशिक पिघलाव हुआ। फिर भी अधिकांश चुंबक तत्व (95%+) बच गए, जो डिज़ाइन की मजबूती को दर्शाता है।

इतना ही प्रभावशाली यह था कि शोधकर्ताओं के मॉडल ने चुंबक के विफल होने के तरीके की सटीक भविष्यवाणी की।

इस अनुभव ने ऐसी सामग्री की आपूर्ति श्रृंखला का भी परीक्षण किया, जिसमें CFS (Commonwealth Fusion Systems, an MIT-spinout company) के सहयोग से 300 किलोमीटर (186 मील) उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर का उपयोग किया गया।

फ्यूजन सुपरकंडक्टिव चुंबक का भविष्य

अभी के लिए, फ्यूजन रिएक्टर तरल हीलियम का उपयोग करके 20°K से नीचे रहने वाले अच्छी तरह समझे और परीक्षण किए गए सुपरकंडक्टर्स पर निर्भर रहेंगे।

हालांकि, ऐसा प्रतीत होता है कि उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिविटी न केवल संभव है बल्कि अधिक प्रबंधनीय तापमान पर भी लागू की जा सकती है।

दीर्घकाल में, ऐसे सुपरकंडक्टिव चुंबक फ्यूजन रिएक्टरों के प्रदर्शन को सुधारने में मदद कर सकते हैं, साथ ही उनकी कीमत घटा सकते हैं, जिससे व्यावसायिक व्यवहार्यता संभव हो सके।

यह मानवता के लिए लगभग असीमित ऊर्जा स्रोत को खोल देगा, जिससे खाद्य उत्पादन, जलवायु परिवर्तन, अंतरिक्ष यात्रा आदि जैसी वर्तमान समस्याएँ तुच्छ हो जाएँगी।