Beperkingen van Supergeleiding

Electriciteit is een van de meest transformerende technologieën in de geschiedenis geweest, waardoor een zeer nuttige vorm van energie over lange afstanden kan worden getransporteerd. Maar elk “normaal” elektrisch systeem ondervindt elektrische weerstand, wat resulteert in warmtegeneratie wanneer er een elektrische stroom wordt aangelegd.

Een alternatief bestaat: 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, kwantumcomputers, enz.

Elektriciteitsleidingen zonder verlies zouden ook cruciaal kunnen zijn bij het ontwikkelen van ultralange netverbindingen die de productie van hernieuwbare energie helpen bufferen over weersomstandigheden en tijdzones, waardoor enkele beperkingen van zonne- en windenergie worden opgelost.

Het probleem tot nu toe is dat al deze toepassingen gebaseerd zijn op supergeleiding bij lage temperaturen, waarbij de materialen alleen supergeleidend zijn wanneer ze worden gekoeld tot lage temperaturen zoals 20 K/-253 °C/-423 °F, meestal met vloeibaar helium.

Dit maakt het niet alleen te complex voor alle behalve de meest veeleisende toepassingen (maglev, MRI, enz.), maar ook zeer kostbaar, waardoor het onrendabel is voor veel toepassingen die zouden kunnen profiteren van supergeleidend materiaal of grootschalig gebruik.

Verschillende Wegen naar Supergeleiding

Andere vormen van supergeleiding dan ultrakoele materialen vereisen constante zeer hoge druk om het materiaal supergeleidend te houden. Dit kan interessant zijn vanuit experimenteel oogpunt, maar nog minder praktisch voor industriële toepassingen of in energie- en transportinfrastructuren.

Hoge-temperatuur supergeleiding zou een optie kunnen worden, met name met het raadselachtige geval van LK-99 (een vorm van kopervervangen loodapatiet – CSLA), een nieuw type supergeleider bij omgevingsdruk 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.

Hoe dan ook, het geval van LK-99 illustreert dat we nog ver verwijderd zijn van het volledig begrijpen van wat supergeleiding mogelijk maakt.

Recentelijk leek de gedraaide bilayer van WSe₂ (wolfraamselenide) ook een goede materiaal kandidaat te zijn.

Onderzoekers van de University of Houston, University at Buffalo, University of Illinois, National Sun Yet-Sen University (Taiwan), en Intellectual Venture breiden het domein van mogelijke supergeleidend materiaal verder uit, waarbij de noodzaak voor hoge druk wordt verwijderd, behalve tijdens de fabricage van het materiaal.

Ze publiceerden hun resultaten¹ in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), onder de titel “Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3”.

Supergeleiding & Druk

De relatie tussen hoge druk en supergeleiding wordt al meer dan 30 jaar bestudeerd, sinds hun eerste ontdekking in 1993. Wat er gebeurt is dat de druk het atomische gedrag van het materiaal wijzigt, wat op zijn beurt de elektrische eigenschappen beïnvloedt.

“In 2001 vermoedden wetenschappers dat het toepassen van hoge druk op BST de topologie van het Fermi‑oppervlak veranderde, wat leidde tot verbeterde thermoelectrische prestaties.

Die verbinding tussen druk, topologie en supergeleiding wekte onze interesse.”

Pr. Liangzi Deng – Onderzoeker aan de University of Houston

Pr. Deng (links) and Pr. Chu (right) – Bron: University of Houston

Het probleem is dat een materiaal om bruikbaar te zijn voor industriële toepassingen, meestal interessante eigenschappen moet vertonen wanneer het zich in een metastabiele toestand bevindt, zodat het deze eigenschappen kan behouden onder “normale” omstandigheden.

Tot nu toe heeft de eis van zeer hoge druk niet alleen de studie van materialen die onder deze omstandigheden supergeleidend zijn belemmerd, maar ook elke toekomstige praktische toepassing zeer ongrijpbaar gemaakt, aangezien het niet haalbaar is om een kabel, magneet of spoorwegcomponent onder zulke extreme drukcondities te houden, laat staan de ultra‑koude eisen voor de momenteel gebruikte supergeleiders.

Hogedruk Quenching

Het behouden van de supergeleidingseigenschappen bij normale druk is wat de onderzoekers zojuist hebben bereikt.

Om dit te doen gebruikten ze een speciaal halfgeleidermateriaal genaamd BST (Bismuth‑Antimony‑Tellurium / Bi_0.5Sb₁.5Te₃). Bij drukken tot ongeveer 50 GPa (Gigapascal), of 500.000 keer sterker dan atmosferische druk (1 bar), vertoont BST drie supergeleidingsfasen (BST‑I, -II en -III), waarbij de eerste verschijnt bij 4 GPa.

De onderzoekers ontwikkelden een procedure genaamd pressure‑quench protocol (PQP), waardoor de door druk geïnduceerde fase kan blijven bestaan bij kamertemperatuur.

Niet alleen werd de BST‑I supergeleidingsfase behouden, maar ook de BST‑II en -III fasen.

Ze gebruikten een diamantaanzet om de vereiste extreme druk te bereiken.

Bron: University of Houston

De elektrische en magnetische eigenschappen werden geanalyseerd met een zeer gevoelig instrument genaamd Magnetization Property Measurement System (MPMS)

Bron: University of Houston

Verbeteren van de Werktemperatuur

Bij testen waren deze supergeleidingsfasen niet alleen aanvankelijk stabiel bij kamertemperatuur, maar behielden ze deze toestanden ook over tijd en bij blootstelling aan hogere temperaturen.

Dit betekent echter niet dat dit een supergeleider bij kamertemperatuur is, alleen dat de fasen stabiel zijn bij normale druk en daadwerkelijke supergeleiding kunnen vertonen wanneer ze worden gekoeld.

BST staat bekend om supergeleiding bij 10,2 K (-262,9 °C / -441,3 °F). De onderzoekers ontdekten dat zowel de depressurisatie als het pressure‑quench protocol de overgangstemperatuur van BST verbeterden, waardoor het een goede optie is om bestaande supergeleidend materiaal te verbeteren.

“Dit experiment toont duidelijk aan dat men de door hoge druk geïnduceerde fase kan stabiliseren bij omgevingsdruk via een subtiele elektronische overgang zonder een symmetriewijziging, wat een nieuw pad biedt om de gewenste materiaalfasen en waarden te behouden die normaal alleen onder druk bestaan.

Prof. Paul Chu – Onderzoeker aan de University of Houston

Toekomstige Toepassingen

Hoewel dit niet onmiddellijk supergeleidend materiaal creëert, opent het de weg voor een nieuwe methode om supergeleidend materiaal te ontdekken en te ontwerpen.

Tot nu toe had supergeleiding onder hoge druk zeer weinig praktische toepassingen, en een supergeleider bij kamertemperatuur moest dit kenmerk vertonen onafhankelijk van het effect van druk.

Als het pressure‑quench protocol kan worden gegeneraliseerd, zou dit kunnen helpen om veelbelovende supergeleidend materialen onder normale omstandigheden te stabiliseren, die tot nu toe alleen onder hoge druk werkten.

“Interessant genoeg onthulde dit experiment een nieuwe benadering voor het ontdekken van nieuwe toestanden van materie die oorspronkelijk niet bestaan bij omgevingsdruk of zelfs onder hoge‑drukcondities.

Het toont aan dat PQP een krachtig instrument is voor het verkennen en creëren van onbekende gebieden van materiaalfasendiagrammen.”

Prof. Liangzi Deng – Onderzoeker aan de University of Houston

Het zou ook bekende supergeleiders kunnen verbeteren zodat hun overgangstemperatuur hoger is.

Dit zou de weg kunnen openen voor opeenvolgende toestanden, waardoor het mogelijk wordt om een supergeleider te creëren die kan werken bij “slechts” 78 K (-195 °C / -319 °F), het kookpunt van vloeibare stikstof, een veel gemakkelijker hanteerbare koelvloeistof dan vloeibaar helium, dat bijvoorbeeld momenteel wordt gebruikt in de supergeleidend magneten van ITER.

Supergeleiding Bedrijf

AMSC is een bedrijf dat energieoplossingen biedt voor het elektriciteitsnet, schepen en windenergie. Over het algemeen geldt: hoe energie‑intensiever of groter een systeem, 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 productiecapaciteit naar de VS en de noodzaak voor marines van de Anglosfeer om te moderniseren als reactie op groeiende geopolitieke risico’s.

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

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.

Bron: American Superconductor Corporation

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 om hen te beschermen tegen mijnen. Dit wordt verkocht aan de marines van de VS, Canada en het VK, met bestellingen ter waarde van $75 M tot nu toe.

Over het algemeen presteert ASMC het best 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 de risico’s dienovereenkomstig berekenen.

Studie Referentie:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Creatie, stabilisatie en onderzoek bij omgevingsdruk van door druk geïnduceerde supergeleiding in Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}