Materiaalkunde
Zijn kamertemperatuur‑supergeleiders überhaupt mogelijk? QMUL zegt ja
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Beperkingen van Supergeleiding
Elektriciteit is een van de meest transformerende technologieën in de geschiedenis geweest, omdat het de transmissie van een zeer nuttige energievorm over lange afstanden mogelijk maakt. Maar elk “normaal” elektrisch systeem ondervindt elektrische weerstand, wat leidt tot warmteproductie wanneer er een elektrische stroom wordt aangelegd.
Er bestaat een alternatief: de zogenaamde supergeleidend materialen. Supergeleidend materialen hebben een elektrische weerstand van nul, waardoor extreem krachtige stromen kunnen worden gebruikt zonder warmte te genereren.
Zonder supergeleiding zou veel moderne technologie niet mogelijk zijn, waaronder deeltjesversnellers (bijvoorbeeld de CERN), MRI en maglevtreinen.
Supergeleiding zal een cruciaal onderdeel zijn van de meest veelbelovende megaprojecten en technologische innovaties, zoals ITER en kernfusie, massadrivers, quantumcomputers, enz.
Elektriciteitsleidingen zonder verlies kunnen ook cruciaal zijn bij het ontwikkelen van ultralange netverbindingen die helpen de productie van hernieuwbare energie te bufferen over weersomstandigheden en tijdzones, waardoor enkele beperkingen van zonne‑ en windenergie worden opgelost.
Bron: XOT Metals
Echter, supergeleiding is tot nu toe alleen onder de knie gekregen voor materialen die dit vertonen bij ultralage temperaturen, slechts enkele graden boven het absolute nulpunt. Of bij extreem hoge druk. Of beide.
Dit maakt het niet alleen te complex voor alle behalve de meest veeleisende toepassingen (maglev, MRI, enz.) maar ook zeer duur, waardoor het economisch onaantrekkelijk is voor veel toepassingen die baat zouden hebben bij supergeleidend materiaal of grootschalig gebruik.
Veel Paden naar Supergeleiding
Het lijkt er nu op dat het materiaal dat onder hoge druk wordt geproduceerd, een deel van zijn supergeleiding kan behouden bij lagere druk via een experimentele methode genaamd pressure‑quench protocol (PQP).
Recentelijk leek de gedraaide bilayer van WSe₂ (wolfraamselenide) ook een goede materiaal kandidaat voor supergeleiders met hogere temperaturen.
Een andere nieuwe klasse potentiële supergeleiders, bilayer nikkelaten, zou dit jaar ook aan de lijst zijn toegevoegd.
Het probleem bij het vinden van nieuwe materialen die bij hogere temperaturen supergeleidend zijn, is dat we niet echt begrijpen hoe het werkt. Dit geldt des te meer voor supergeleiding bij hoge of kamertemperatuur. Een tijdlang werd gedacht dat het volledig onmogelijk was.
Toen verscheen het raadselachtige geval van LK-99 (een vorm van kopervervangen loodapatiet – CSLA), mogelijk een nieuw type supergeleider bij atmosferische druk en kamertemperatuur. De bewering werd onmiddellijk betwist en bekritiseerd als een hoax of meetfout, maar later ontdekten andere onderzoekers dat er toch iets aan de hand kon zijn.
Nieuwe vooruitgang in de theoretische fysica, behaald door onderzoekers van de QMUL (Queen Mary University of London), de Universiteit van Cambridge en Intellectual Ventures, zou kunnen verhelderen hoe kamertemperatuur‑supergeleiders toch mogelijk kunnen zijn.
Ze publiceerden hun resultaten1 in het Journal of Physics: Condensed Matter, onder de titel “Upper bounds on the highest phonon frequency and superconducting temperature from fundamental physical constants”.
Begrijpen van de TC-limiet
Elk supergeleidend materiaal wordt gedefinieerd door een waarde die TC (kritische temperatuur) wordt genoemd. Voor de meeste materialen met supergeleidende eigenschappen ligt TC slechts enkele graden boven het absolute nulpunt.
Echter, dit nieuwe onderzoek ging verder om te onderzoeken wat de theoretische limieten van TC zouden kunnen zijn.
Zo’n limiet wordt bepaald door fundamentele krachten en constanten van het universum, zoals de elektronenmassa, de elektrische lading van het elektron en de Planck‑constante.
Dit werk bewijst dat deze constanten “een bovengrens stellen voor de frequentie van fononen in gefaseerde materie, of hoe snel een atoom in deze fasen kan trillen”. Dit bepaalt op zijn beurt de onder‑ en bovengrens van mogelijke TC, aangezien fononen bemiddelen welke supergeleidende temperatuur mogelijk is.
Boven- en onderlimieten voor TC
De wiskunde en de deeltjesfysica die worden gebruikt om te bepalen welke TC mogelijk is, zijn tamelijk complex en buiten het bereik van niet‑specialisten. Alleen al om een voorbeeld te geven uit het wetenschappelijke artikel zelf in de inleiding:
“In onze density functional theory (DFT) berekeningen gebruiken we vergelijkbare methoden als ons eerdere artikel. Dit omvat het gebruik van de Perdew–Burke–Ernzerhof uitwisselings‑correlatiefunctie, een energiedrempel van 1200 eV en een k‑puntrooster met een spacing van 2π×0.025 Å⁻¹ om de elektronische Brillouin‑zone te bemonsteren.”
Om het simpel te houden, onderzoekt het door de onderzoekers ontwikkelde model hoe hoog de oscillatiefrequentie van een atoom kan zijn in vaste stoffen of vloeistoffen.
Dit zou de bovengrens voor supergeleiding TC stellen op 100 tot 1.000 K, of -173,15 tot 726 °C / -279 tot 1340 °F. Dit zou supergeleiding, althans in theorie, perfect haalbaar maken bij kamertemperaturen.
Het plaatst kamertemperatuur stevig in de mogelijke zone waar supergeleiding mogelijk is, waardoor onze eerdere perceptie dat kamertemperatuur‑supergeleiding een theoretische onmogelijkheid was, radicaal verandert.
Dieper Begrip van het Universum
De resultaten zijn al onafhankelijk bevestigd in een aparte studie, wat bevestigt dat deze meer gedetailleerde theoretische analyse waarschijnlijk overeenkomt met de fysieke realiteit.
Dit zou het veld van supergeleidingonderzoek sterk moeten stimuleren, nu er een theoretisch kader bestaat dat beter uitlegt waarom kamertemperatuur‑supergeleiders mogelijk zijn.
“Deze ontdekking vertelt ons dat supergeleiding bij kamertemperatuur niet wordt uitgesloten door fundamentele constanten. Het geeft wetenschappers hoop: de droom leeft nog steeds.”
Professor Pickard – natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Cambridge
Zo’n dieper begrip van hoe gefaseerde materie zich op partikelniveau gedraagt, zou ook resultaten moeten opleveren in andere vakgebieden, zoals materiaalkunde, elektronica of plasmfysica.
Toekomstige Toepassingen
Kamertemperatuur‑supergeleiders zouden een onmiddellijk wondermateriaal zijn als ze voldoende begrepen worden om op schaal te produceren.
Het eerste directe effect zou zijn dat de kosten van apparatuur die al supergeleiding benutten, zoals MRI, maglev‑treinen, geavanceerde turbines en generatoren, deeltjesversnellers, experimentele fusie‑reactoren, enz., dalen.
Het zou ook technologie mogelijk maken die tot nu toe ofwel nooit kon worden gerealiseerd of prohibitief duur was vanwege de technische beperkingen van supergeleiders bij lage temperaturen.
Dit omvat hyperloop‑treinen, massadrivers om de baan te bereiken, commerciële kernfusie, intercontinentale netverbindingen, enz. Elk van deze technologieën zou het pad van de menselijke beschaving voorgoed veranderen.
Leiders in Supergeleidingsoplossingen
AMSC Prijsgrafiek
AMSC is een bedrijf dat energieoplossingen biedt voor het elektriciteitsnet, schepen en windenergie. Over het algemeen geldt: hoe meer vermogen een systeem verbruikt of hoe groter het is, hoe meer supergeleidingstechnologie nodig is om oververhitting te voorkomen.
Ondanks de naam levert ASMC niet alleen supergeleidersystemen, maar bijvoorbeeld ook tandwielaandrijvingen voor windturbines.
Het bedrijf profiteert van meerdere groeifactoren, van de trend van elektrificatie en digitalisering (inclusief AI‑datacenters), maar ook van de terugkeer van Amerikaanse productiecapaciteit en de behoefte van de marines van de Anglosfeer om te moderniseren als reactie op groeiende geopolitieke risico’s.
In het segment stroomvoorziening heeft AMSC een gestage stijging in orders gezien. Dit werd gedreven door halfgeleiderfabrieken die beschermd willen worden tegen schommelingen in het elektriciteitsnet, het helpen van het net om om te gaan met de intermitterende aard van hernieuwbare energie, en stroomvoorziening & besturingen op industriële locaties.
In het windturbine‑segment is AMSC voornamelijk actief met Electrical Control System (ECS). Historisch gezien was ESC een sterk segment voor het bedrijf met de 2 MW windturbines, maar het is geleidelijk afgenomen. AMSC streeft naar een herstel dankzij het nieuwe 3 MW turbinedesign, met een speciale focus op de Indiase markt.
Bron: American Superconductor Corporation
Voor militaire schepen levert ASMC de “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, een systeem om de magnetische handtekening van schepen te wijzigen ter bescherming tegen zeemijnen. Dit wordt verkocht aan de marines van de VS, Canada en het VK, met orders ter waarde van $75 M tot nu toe.
Over het geheel genomen presteert ASMC het beste door supergeleidingstechnologie te benutten in niche‑toepassingen die vandaag de dag levensvatbaar zijn, terwijl het waarschijnlijk klaar is om verdere vooruitgangen in de toekomst te implementeren. Beleggers moeten ook opmerken dat het aandeel in het verleden extreme volatiliteit heeft gekend, en ze moeten de risico’s dienovereenkomstig berekenen.
Laatste nieuws over American Superconductor Corporation
Gerefereerde studies:
1. K Trachenko, B Monserrat, M Hutcheon and Chris J Pickard.(2025) Bovengrenzen voor de hoogste fononfrequentie en supergeleidende temperatuur vanuit fundamentele natuurkundige constanten. Journal of Physics: Condensed Matter. 37165401. 13 maart 2025. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/adbc39
