Vooruitgang in supergeleiding maakt de weg vrij voor een nieuwe technologische revolutie

Superconductivity Limits

Elektriciteit is een van de meest transformerende technologieën in de geschiedenis geweest, omdat het de transmissie van een zeer nuttige vorm van energie over lange afstanden mogelijk maakt. Maar elk elektrisch systeem ondervindt elektrische weerstand, wat leidt tot warmteproductie wanneer er een elektrische stroom wordt aangelegd.

Er bestaat een alternatief, het zogenaamde supergeleidend materiaal. Supergeleidend materiaal heeft een elektrische weerstand van nul, waardoor extreem krachtige stromen kunnen worden gebruikt zonder warmte of sterke magnetische velden te genereren.

Zonder supergeleiding zou veel moderne technologie niet mogelijk zijn, waaronder deeltjesversnellers, MRI en maglevtreinen.

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

Voor sommige toepassingen, zoals magneten in experimentele fusie‑reactoren, kan de vereiste temperatuur zo laag zijn als 4 K (slechts 4 graden boven het absolute nulpunt), hoewel dit verbetert (zie hieronder).

Zulk extreem lage temperaturen zijn moeilijk te handhaven en verbruiken veel energie. Dus, hoewel andere technologieën en toepassingen baat zouden hebben bij supergeleiding, is het zelden economisch haalbaar.

High-Temperature Superconductivity

Dit is waarom het vooruitzicht dat materialen bij hogere temperaturen supergeleidend kunnen blijven, zo opwindend is. In die context kan “hoge” temperatuur zo koud zijn als -185°C tot -135°C, maar dit is veel gemakkelijker te bereiken dan de traditionele supergeleidingstemperatuur, door vloeibaar stikstof in plaats van vloeibaar helium te gebruiken.

Maar natuurlijk zou het ideale materiaal supergeleidend zijn bij temperaturen net onder het vriespunt of zelfs bij kamertemperatuur.

Room-Temperature Superconductivity

In de zomer van 2023 ging een stuk nieuws viraal na de publicatie van een wetenschappelijk artikel getiteld “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”. Een materiaal genaamd LK-99 werd beschreven als werkend als supergeleider tot 127 °C/260 °F. Het feit dat het gewone materialen zoals koper en lood gebruikte (kopervervangen loodapatiet – CSLA) droeg alleen maar bij aan het potentieel van de ontdekking.

Koper kristallen – Bron: DOE

Het veroorzaakte zelfs een micro‑bubbel in aandelen gerelateerd aan supergeleiding, bijvoorbeeld een stijging van +60 % in de aandelenkoersen van American Superconductor.

De bewering werd onmiddellijk betwist en bleek moeilijk te repliceren.

LK-99 Superconductivity Story

Maar dit verhaal is nog niet afgelopen. In januari 2024 hebben twee andere onderzoeksteams ook het potentieel van LK-99 voor supergeleiding waargenomen.

Interessant genoeg heeft elk team zijn eigen versie van LK-99 gerecreëerd via verschillende productiemethoden, wat aangeeft dat de waargenomen resultaten waarschijnlijk meer met het materiaal te maken hebben dan met mogelijke onzuiverheden of fouten.

Dus er is enige hoop dat dit geen vals alarm is. Wat lijkt te gebeuren is dat het productieproces momenteel extreem inefficiënt is, waardoor een test gemakkelijk negatief kan uitvallen.

Het is dus misschien geen verrassing dat het repliceren van de oorspronkelijke ontdekking van LK-99 allesbehalve eenvoudig is geweest.

“…zelfs monsters die gesynthetiseerd zijn volgens het momenteel best bekende proces (het proces dat zij gebruikten) hebben vaak een hoog percentage niet‑supergeleidend materiaal gemengd met de vermeende supergeleidingselementen. In dat scenario is het gemakkelijk om monsters ten onrechte als mislukt te bestempelen, zelfs na het testen ervan.

een van de supergeleidingsmonsters waarop ze hun paper baseerden, werd in november 2023 vervaardigd, werd als mislukt bestempeld en stond op het punt om op verschillende momenten in zijn levensduur weggegooid te worden.”

Bron: Tom’s Hardware

Superconductivity Potential

Zelfs als supergeleiders bij kamertemperatuur ongrijpbaar blijven, kunnen onderzoekers een manier vinden om materiaal supergeleidend te houden bij temperaturen zo “hoog” als -80 °C tot -70 °C.

Dit zou de mogelijke toepassingen volledig veranderen, omdat supergeleiding dan kan vertrouwen op koeltechnologie die wordt gebruikt in vriezers voor het opslaan van mRNA‑vaccins in plaats van duurdere vloeibare helium of stikstof.

Onder de mogelijke toepassingen die al in de jaren 90 werden besproken, zijn:

• Betere MRI, met hogere resolutie en goedkoper om te bouwen en te exploiteren, waardoor het een veel meer routinematig medisch onderzoek kan worden.
• Elektromagnetische stuwingsaandrijfsystemen (ook wel magnetohydrodynamische (MHD)-aandrijvingen) om schepen voort te stuwen door zeewater te elektrificeren.
• Krachtigere en efficiëntere elektrische motoren.
• Hogere energiedichtheid en veiligere batterijen met Supergeleidend Magnetisch Energiesysteem (SMES).
• Supergeleidende begrenzers, schakelaars en zekeringen om de infrastructuur van het elektriciteitsnet te verbeteren.
• Langafstands stroomtransmissie zonder verliezen, wat de efficiëntie van hernieuwbare energie kan verhogen, bijvoorbeeld met zonnepanelen die nog steeds in de zon staan en een stad duizenden kilometers verder van stroom voorzien.
• Goedkopere en gemakkelijker te onderhouden maglevtreinen of later Hyperloop‑systemen.
• Sensoren/magnetometers (Supergeleidend Kwantum Interferentieapparaten – SQUID’s) voor toepassingen in industriële omgevingen.
• Supergeleidend kwantumcomputeren
  • (je kunt meer lezen over de voortgang van kwantumcomputing in ons artikel “De huidige staat van kwantumcomputing”).
• Defensie‑ en ruimtevaarttoepassingen, inclusief stralingsschermen, elektromagnetische lanceringen, magnetische lagers, sensoren, railguns, coilguns, lasers en andere energiewapens.

Bron: DOE

Superconductivity And Nuclear Fusion

Kernfusie is een andere toepassing die enorm zou profiteren van supergeleiders die bij hogere temperaturen werken.

Alle verschillende methoden om commerciële kernfusie te realiseren, vertrouwen op extreem krachtige magneten om het plasma, dat op tientallen of honderden miljoenen graden wordt verwarmd, te bevatten en samen te drukken.

Na een eerste succes in 2021 werkte een onderzoeksteam van het Plasma Science and Fusion Center (PSFC) van MIT aan het maken van een supergeleidend magneet die krachtig genoeg is om bruikbaar te zijn in kernfusie‑reactoren.

Het nieuwe fusie‑magnetontwerp is supergeleidend bij 16 K in plaats van de eerdere 4 K. Een belangrijke innovatie is het verwijderen van alle isolatie rond de geleider van de magneet. Dit heeft op zijn beurt ruimte vrijgemaakt voor verdere verbeteringen, zoals een eenvoudiger fabricageproces of meer structurele sterkte.

Bron: Phys.org

“Voor de demonstratie op 5 september waren de best beschikbare supergeleidend magneten krachtig genoeg om mogelijk fusie‑energie te bereiken — maar alleen bij afmetingen en kosten die nooit praktisch of economisch haalbaar zouden zijn. Toen de tests de haalbaarheid van zo’n sterke magneet bij een sterk verkleinde omvang aantoonden, “overnacht veranderde het in feite de kosten per watt van een fusie‑reactor met een factor van bijna 40 in één dag”.

Dennis Whyte – Hitachi America Professor of Engineering

Ze publiceerden hun ontdekkingen in een compilatie van 6 wetenschappelijke artikelen gepubliceerd in IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Ze legden in detail uit hoe zulke 16 K fusie‑magneten te bouwen, die een magnetisch veld genereren met een intensiteit van 20 tesla.

Testing The Limit

Gretig om te bewijzen dat het nieuwe fusie‑magnetontwerp veilig kan presteren, hebben ze het ook actief in moeilijke situaties getest. De laatste test resulteerde in een gedeeltelijke smelting van de magneet in één hoek. En zelfs de meeste magnetonderdelen overleefden (95 %+), wat de robuustheid van het ontwerp aantoont.

Even even indrukwekkend was dat het model van de onderzoekers perfect voorspelde hoe de magneet faalde.

De ervaring testte ook de toeleveringsketen voor dergelijk materiaal, waarbij 300 kilometer (186 mijl) hoogtemperatuursupergeleider werd gebruikt in samenwerking met CFS (Commonwealth Fusion Systems, een MIT‑spin‑off bedrijf).

The Future Of Fusion Superconductive Magnet

Nog enige tijd zullen fusie‑reactoren blijven vertrouwen op goed begrepen en geteste supergeleiders die vloeibaar helium gebruiken om onder de 20 K te blijven.

Het lijkt er echter op dat supergeleiding bij hogere temperaturen niet alleen mogelijk is, maar waarschijnlijk haalbaar bij veel beter beheersbare temperaturen.

Op de lange termijn zouden dergelijke supergeleidend magneten de prestaties van fusie‑reactoren kunnen verbeteren, en hun prijs kunnen verlagen, waardoor commerciële haalbaarheid mogelijk wordt.

Dit zou een bijna onbeperkte energiebron voor de mensheid ontsluiten, waardoor onze huidige problemen met voedselproductie, ontzilting, klimaatverandering, ruimtevaart, enz., triviaal worden.