超伝導の進展が新たな技術革命への道を切り開く

超伝導の限界

電気は歴史上最も変革的な技術の一つであり、長距離にわたって非常に有用なエネルギー形態の伝送を可能にしてきました。しかし、すべての電気システムは電気抵抗に直面し、電流が流れると熱が発生します。

代替手段として、いわゆる超伝導材料があります。超伝導材料は電気抵抗がゼロであり、熱や強力な磁場を発生させることなく、極めて大きな電流を使用できます。

超伝導がなければ、粒子加速器、MRI、磁気浮上列車など、多くの現代技術は実現できません。

問題は、これらすべての応用が低温超伝導に基づいており、材料は液体ヘリウムを使用しても 20 K（-253°C、-423°F）といった低温に冷却されたときのみ超伝導になることです。

実験的な核融合炉の磁石などの一部の応用では、必要温度が絶対零度からわずか 4 度上の 4 K と極めて低くなることがありますが、これは改善されつつあります（以下参照）。

このような極低温は維持が困難でエネルギーを大量に消費します。そのため、他の技術や応用が超伝導の恩恵を受けられる可能性があっても、経済的に実現可能になることは稀です。

高温超伝導

このため、材料がより高い温度で超伝導状態を維持できるという見通しは非常に魅力的です。その文脈で「高温」とは -185°C から -135°C 程度の低温を指しますが、液体ヘリウムの代わりに液体窒素を使用すれば、従来の超伝導温度よりはるかに容易に達成できます。

しかし、理想的には凍結直前、あるいは室温でも超伝導になる材料が望まれます。

室温超伝導

2023 年の夏、科学論文「The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor（初の常圧室温超伝導体）」が発表された後、ニュースがバイラルになりました。LK-99 と呼ばれる材料は、127°C（260°F）まで超伝導を示すと記述されました。銅や鉛（銅置換鉛リン酸塩 – CSLA）といった一般的な材料を使用している点も、この発見の可能性を高めました。

銅結晶 – 出典: DOE

それは超伝導関連株式に小さなバブルを引き起こし、例えば American Superconductor (AMSC ) の株価が 60% 上昇しました。

この主張は直ちに争われ、再現が困難であることが判明しました。

LK-99 超伝導ストーリー

しかし、この物語はまだ終わっていません。2024 年 1 月、他の 2 つの研究チームも LK-99 の可能性を観測しました 超伝導。

興味深いことに、各チームは異なる製造方法で独自の LK-99 バージョンを再現し、観測された結果は不純物やエラーよりも材料自体に起因している可能性が高いことを示しています。

したがって、これは誤報ではないという希望があります。現状では製造プロセスが極めて非効率であり、テストが陰性になることが容易であるようです。

したがって、LK-99 の最初の発見を再現することが決して簡単でないのは驚くべきことではありません。

“…現在最良とされるプロセス（彼らが使用したもの）に従って合成されたサンプルでさえ、主張される超伝導部分に非超伝導物質が高い割合で混入している傾向があります。そのような状況では、テスト後であってもサンプルを誤って「死んだ」と宣言しやすくなります。

彼らが論文の根拠とした超伝導サンプルの一つは 2023 年 11 月に製造されましたが、失敗品と判断され、寿命の複数の段階で廃棄される寸前でした。

Source: Tom’s Hardware

超伝導の可能性

たとえ室温超伝導体が未だに捉えどころがなくても、研究者は材料を -80°C から -70°C 程度の「高」温度で超伝導状態に保つ方法を見つけるかもしれません。

これにより、可能な応用は根本的に変わります。超伝導は高価な液体ヘリウムや窒素ではなく、mRNA ワクチンの保存に使用される冷凍庫の冷却技術で維持できるようになるからです。

1990 年代にすでに議論された可能性のある応用例は次のとおりです：

• より高性能な MRI, 高解像度で構築・運用が安価になり、より日常的な医療検査になることが可能です。
• 電磁推進システム（磁流体力学（MHD）ドライブとも呼ばれ）で海水を電離させて船を推進します。
• より強力で効率的な 電気エンジン。
• 超伝導磁気エネルギー貯蔵（SMES） を用いた、より高密度で安全なバッテリー。
• 超伝導リミッタ、スイッチ、ヒューズで電力網インフラを改善します。
• ロスのない長距離電力送電、例えば太陽光パネルが太陽に照らされたまま何千キロ離れた都市に電力を供給するなど、再生可能エネルギーの効率を向上させる可能性があります。
• より安価で保守が容易な 磁気浮上列車、将来的にはハイパーループシステムにも応用可能です。
• センサー/磁力計（超伝導量子干渉装置（SQUID））は産業分野での応用に適しています。
• 超伝導量子コンピューティング
  • （当社の記事「The Current State of Quantum Computing 」で量子コンピューティングの進展を詳しく読むことができます。）
• 防衛・航空宇宙分野の応用、放射線シールド、電磁発射、磁気ベアリング、センサー、レールガン、コイルガン、レーザー、その他エネルギー兵器を含みます。

出典: DOE

超伝導と核融合

核融合は、より高温で動作する超伝導体から大きな恩恵を受ける別の応用分野です。

商業用核融合を実現するすべての手法は、数千万度から数億度に加熱されたプラズマを閉じ込め圧縮するために、極めて強力な磁石に依存しています。

2021 年の最初の成功の後、MIT のプラズマ科学・融合センター（PSFC）の研究チームは、核融合炉で使用できるほど強力な超伝導磁石の開発に取り組みました。

新しい融合磁石設計は、従来の 4 K ではなく 16 K で超伝導になります。主なイノベーションは、磁石の導体ワイヤー周囲の絶縁体をすべて除去したことです。これにより、製造プロセスの簡素化や構造強度の向上など、さらなる改良の余地が生まれました。

出典: Phys.org

「9 月 5 日のデモンストレーション以前、利用可能な最高の超伝導磁石は融合エネルギーを実現できるほどの出力を持っていましたが、実用的または経済的に成立し得るサイズやコストではありませんでした。その後、テストでこのような強力な磁石が大幅に小型化された実用性が示されたとき、”一夜にして、融合炉のワット当たりコストがほぼ 40 倍も変わった” と言えるほどの変化が起きました。」

Dennis Whyte – Hitachi America 工学教授

彼らは、IEEE Transactions on Applied Superconductivity に掲載された 6 本の科学論文のコンパイルで発見を公表しました。16 K の融合磁石の構築方法を詳細に説明し、20 テスラという強力な磁場を生成できることを示しました。

限界のテスト

新しい融合磁石設計が安全に機能することを証明したいと考え、彼らは積極的に過酷な状況に投入しました。最後のテストでは、磁石の一角が部分的に溶けましたが、磁石の要素の大部分（95％以上）は生き残り、設計の堅牢性が示されました。

同様に印象的だったのは、研究者のモデルが磁石の故障様式を完全に予測したことです。

この経験は、MIT のスピンアウト企業である CFS（Commonwealth Fusion Systems）と協力し、300 キロメートル（186 マイル）の高温超伝導体を使用することで、材料のサプライチェーンもテストしました。

融合超伝導磁石の未来

しばらくの間、融合炉は液体ヘリウムを使用して 20 K 以下に保つ、よく理解されテストされた超伝導体に依存し続けるでしょう。

しかしながら、高温超伝導は単に可能であるだけでなく、はるかに管理しやすい温度で実現できる見込みがあるようです。

長期的には、このような超伝導磁石が融合炉の性能向上とコスト削減に寄与し、商業的実現性を高める可能性があります。

これにより、人類にとってほぼ無限のエネルギー源が解放され、食料生産、淡水化、気候変動、宇宙旅行などに関する現在の課題が取るに足らないものとなります。