Kemajuan dalam Superkonduktivitas Membuka Jalan bagi Revolusi Teknologi Baru

Batas Superkonduktivitas

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.

Alternatifnya ada, yaitu material yang disebut superkonduktif. Material superkonduktif memiliki resistansi listrik nol, yang memungkinkan arus sangat kuat digunakan tanpa menghasilkan panas atau medan magnet yang kuat.

Tanpa superkonduktivitas, banyak teknologi modern tidak akan mungkin, termasuk akselerator partikel, MRI, dan kereta maglev.

Masalahnya adalah semua aplikasi ini didasarkan pada superkonduktivitas suhu rendah, di mana material hanya menjadi superkonduktif ketika didinginkan hingga suhu rendah seperti 20 K/-253 °C/-423 °F, termasuk dengan helium cair.

Untuk beberapa aplikasi seperti magnet dalam reaktor fusi eksperimental, suhu yang dibutuhkan dapat serendah 4 K (hanya 4 derajat di atas nol mutlak), meskipun hal ini sedang membaik (lihat di bawah).

Such extremely low temperatures are hard to maintain and consume a lot of energy. So, while other technologies & applications could benefit from superconductivity, it is rarely economically viable to do so.

Superkonduktivitas Suhu Tinggi

This is why the prospect of materials being able to stay superconductive at higher temperatures is an exciting prospect. In that context, “suhu tinggi” dapat serendah -185°C to -135°C but this is a lot more easy to reach than the traditional superconductive temperature, using liquid nitrogen instead of liquid helium.

But of course, the ideal material would be superconductive at temperatures just below freezing or even room temperature.

Superkonduktivitas pada Suhu Ruang

Pada musim panas 2023, sebuah berita menjadi viral setelah publikasi artikel ilmiah berjudul “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor“. Material yang disebut LK-99 dijelaskan dapat berfungsi sebagai superkonduktor hingga 127°C/260°F. Penggunaan bahan umum seperti tembaga dan timbal (apatit timbal yang digantikan tembaga – CSLA) hanya menambah potensi penemuan tersebut.

Kristal tembaga – Sumber: DOE

Hal ini bahkan memicu gelembung mikro di pasar saham terkait superkonduktivitas, misalnya kenaikan +60% pada harga saham American Superconductor (AMSC ).

Klaim tersebut segera dipertanyakan dan terbukti sulit direplikasi.

Kisah Superkonduktivitas LK-99

Namun cerita ini belum berakhir. Pada Januari 2024, dua tim riset lain juga mengamati potensi LK-99 untuk superkonduktivitas.

Menariknya, setiap tim menciptakan versi LK-99 mereka sendiri melalui metode manufaktur yang berbeda, menunjukkan bahwa hasil yang diamati kemungkinan besar terkait dengan material itu sendiri daripada impuritas atau kesalahan tertentu.

Jadi ada harapan bahwa ini bukan alarm palsu. Yang tampaknya terjadi adalah proses manufaktur, untuk saat ini, sangat tidak efisien, sehingga mudah bagi sebuah pengujian menghasilkan hasil negatif.

Jadi, tidak mengherankan bahwa mereplikasi penemuan awal LK-99 tidaklah mudah.

“…bahkan sampel yang disintesis mengikuti proses terbaik yang diketahui saat ini (yang mereka gunakan) cenderung memiliki persentase tinggi materi non-superkonduktif yang tercampur dengan bagian yang diklaim superkonduktif. Dalam skenario itu, mudah untuk secara keliru menyatakan sampel sebagai tidak berfungsi bahkan setelah mengujinya.

salah satu sampel superkonduktif yang mereka jadikan dasar makalah mereka dibuat pada November 2023, kemudian dinyatakan gagal, dan hampir dibuang pada beberapa tahap kehidupannya.”

Sumber: Tom’s Hardware

Potensi Superkonduktivitas

Bahkan jika superkonduktor suhu ruang tetap sulit dicapai, peneliti mungkin menemukan cara agar material tetap superkonduktif pada suhu yang “tinggi” seperti -80°C to -70°C.

Hal ini akan sepenuhnya mengubah aplikasi yang mungkin, karena superkonduktivitas kemudian dapat mengandalkan teknologi pendinginan yang digunakan dalam freezer penyimpanan vaksin mRNA alih-alih helium atau nitrogen cair yang lebih mahal.

Di antara aplikasi potensial yang sudah dibahas pada 1990-an adalah:

• MRI Lebih Baik, dengan resolusi lebih tinggi dan biaya pembangunan serta operasional yang lebih murah, memungkinkan menjadi pemeriksaan medis yang jauh lebih rutin.
• Sistem dorong elektromagnetik (also called magnetohidrodinamik (MHD) drives) untuk mendorong kapal melalui pengaliran listrik pada air laut.
• Mesin listrik yang lebih kuat dan efisien mesin listrik.
• Kepadatan lebih tinggi dan baterai yang lebih aman dengan Penyimpanan Energi Magnetik Superkonduktif (SMES).
• Limiter, saklar, dan sekering superkonduktif untuk meningkatkan infrastruktur jaringan listrik.
• Transmisi daya jarak jauh tanpa kehilangan, yang dapat meningkatkan efisiensi energi terbarukan, misalnya dengan panel surya yang tetap berada di bawah sinar matahari memberi daya ke kota ribuan kilometer jauhnya.
• Kereta maglev yang lebih murah dan lebih mudah dipelihara kereta maglevatau nanti sistem Hyperloop.
• Sensor/magnetometer (Perangkat Interferensi Kuantum Superkonduktif – SQUIDS) untuk aplikasi di lingkungan industri.
• Komputasi kuantum superkonduktif
  • (Anda dapat membaca lebih lanjut tentang kemajuan komputasi kuantum dalam artikel kami “The Current State of Quantum Computing ”).
• Aplikasi Pertahanan & Dirgantara, termasuk perisai radiasi, peluncuran elektromagnetik, bantalan magnetik, sensor, railgun, coilgun, laser, dan senjata energi lainnya.

Sumber: DOE

Superkonduktivitas dan Fusi Nuklir

Fusi nuklir adalah aplikasi lain yang akan sangat diuntungkan oleh superkonduktor yang beroperasi pada suhu lebih tinggi.

Berbagai metode untuk mencapai fusi nuklir komersial mengandalkan magnet yang sangat kuat untuk menahan dan memampatkan plasma yang dipanaskan pada suhu puluhan atau ratusan juta derajat.

Setelah keberhasilan awal pada 2021, tim riset di Plasma Science and Fusion Center (PSFC) MIT bekerja untuk membuat magnet superkonduktif yang cukup kuat untuk dapat digunakan dalam reaktor fusi nuklir.

Desain magnet fusi baru ini superkonduktif pada 16 K dibandingkan sebelumnya 4 K. Inovasi utama adalah penghilangan semua isolasi di sekitar kawat konduktif magnet. Hal ini, pada gilirannya, membebaskan ruang untuk perbaikan lebih lanjut, seperti proses fabrikasi yang lebih sederhana atau kekuatan struktural yang lebih besar.

Sumber: Phys.org

“Sebelum demonstrasi pada 5 September, magnet superkonduktif terbaik yang tersedia cukup kuat untuk berpotensi menghasilkan energi fusi—tetapi hanya pada ukuran dan biaya yang tidak pernah praktis atau ekonomis. Kemudian, ketika pengujian menunjukkan kepraktisan magnet yang sangat kuat dengan ukuran yang jauh lebih kecil, “semalam, hal itu pada dasarnya mengubah biaya per watt reaktor fusi sebesar hampir 40 kali dalam satu hari”

Dennis Whyte – Hitachi America Professor of Engineering

Mereka mempublikasikan temuan mereka dalam kompilasi 6 makalah ilmiah yang diterbitkan dalam IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Mereka menjelaskan secara detail cara membangun magnet fusi 16 K tersebut, yang menghasilkan medan magnet seintens 20 Tesla.

Menguji Batas

Bersemangat membuktikan bahwa desain magnet fusi baru dapat beroperasi dengan aman, mereka juga secara aktif menempatkannya dalam situasi sulit. Pengujian terakhir menghasilkan magnet meleleh sebagian di satu sudut. Bahkan sebagian besar elemen magnet bertahan (lebih dari 95 %), menunjukkan ketangguhan desain.

Yang sama mengesankannya adalah model para peneliti memprediksi dengan tepat cara kegagalan magnet.

Pengalaman tersebut juga menguji rantai pasokan material semacam itu, menggunakan 300 kilometer (186 mil) superkonduktor suhu tinggi bekerja sama dengan CFS (Commonwealth Fusion Systems, perusahaan spin-out MIT)

Masa Depan Magnet Superkonduktif untuk Fusi

Untuk sementara lagi, reaktor fusi akan bergantung pada superkonduktor yang sudah dipahami dan diuji dengan menggunakan helium cair untuk tetap di bawah 20 K.

Namun, tampaknya superkonduktivitas suhu tinggi tidak hanya mungkin, tetapi juga kemungkinan dapat dicapai pada suhu yang jauh lebih dapat dikelola.

Dalam jangka panjang, magnet superkonduktif semacam itu dapat membantu meningkatkan kinerja reaktor fusi, serta menurunkan biayanya, memungkinkan kelayakan komersial.

Hal ini akan membuka sumber energi yang hampir tak terbatas bagi umat manusia, menjadikan masalah kita saat ini terkait produksi pangan, desalinasi, perubahan iklim, perjalanan antariksa, dll., menjadi sepele.