Materialvitenskap
Små skritt mot høytemperatur-superledere ved atmosfærisk trykk
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Superledningsbegrensninger
Elektrisitet har vært en av de mest transformative teknologiene i historien, og gjør det mulig å overføre en svært nyttig energiform over lange avstander. Men hvert «normalt» elektrisk system møter elektrisk motstand, noe som fører til varmeutvikling når en elektrisk strøm påføres.
Et alternativ finnes: de såkalte superledende materialene. Superledende materialer har null elektrisk motstand, noe som gjør det mulig å bruke ekstremt kraftige strømmer uten å generere varme.
Uten superledning ville mange moderne teknologier ikke vært mulige, inkludert partikkelakseleratorer (for eksempel CERN), MR og maglev-tog.
Superledning vil være en avgjørende komponent i de mest lovende megaprosjektene og teknologisk innovasjon, som ITER og kjernefysisk fusjon, massedriver, kvantedatamaskiner, osv.
Strømlinjer uten tap kan også være avgjørende for å utvikle ultra-lange nettforbindelser som hjelper med å dempe produksjonen av fornybar energi over værforhold og tidssoner, og løser noen av begrensningene ved sol- og vindkraft.
Problemet hittil er at alle disse anvendelsene er basert på lavtemperatur-superledning, hvor materialene kun er superledende når de kjøles ned til lave temperaturer som 20 K/-253 °C/-423 °F, som vanligvis krever flytende helium.
Dette gjør det ikke bare for komplekst for alle unntatt de mest krevende anvendelsene (maglev, MR osv.), men også svært kostbart, noe som gjør det økonomisk uholdbart for mange bruksområder som kunne ha nytte av superledende materiale eller stor‑skala bruk.
Mange veier til superledning
Andre former for superledning enn ultra‑kalde materialer krever konstant svært høyt trykk for at materialet skal forbli superledende. Dette kan være interessant fra et eksperimentelt perspektiv, men er enda mindre praktisk for industrielle anvendelser eller i energi‑ og transportinfrastruktur.
Høytemperatur-superledning kan bli et alternativ, spesielt med det gåtefulle tilfellet LK-99 (en form for kobber‑substituert bly‑apatitt – CSLA), en ny type superleder ved atmosfærisk trykk og romtemperatur. Påstanden ble umiddelbart bestridt og kritisert som en svindel eller målefeil, men andre forskere oppdaget at det kanskje faktisk skjer noe.
Uansett illustrerer tilfellet med LK-99 at vi er langt fra å vite alt om hva som gjør superledning mulig.
Nylig fremsto vridd bilag av WSe₂ (tungsten selenid) også som en god materialkandidat.
Forskere ved University of Houston, University at Buffalo, University of Illinois, National Sun Yet‑Sen University (Taiwan) og Intellectual Venture åpner videre opp mulighetene for superledende materialer, og fjerner behovet for høyt trykk bortsett fra under produksjonen av materialet.
De publiserte sine resultater1 i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), under tittelen «Opprettelse, stabilisering og undersøkelse ved atmosfærisk trykk av trykkindusert superledning i Bi0.5Sb1.5Te3».
Superledning & trykk
Sammenhengen mellom høyt trykk og superledning har blitt studert i mer enn 30 år nå, siden deres første oppdagelse i 1993. Det som skjer er at trykket endrer materialets atomære oppførsel, noe som igjen påvirker dets elektriske egenskaper.
“I 2001 mistenkte forskere at påføring av høyt trykk på BST endret dens Fermi‑overflate‑topologi, noe som førte til forbedret termoelektrisk ytelse.
Den forbindelsen mellom trykk, topologi og superledning fanget vår interesse.
Prof. Liangzi Deng – Forsker ved University of Houston
Prof. Deng (venstre) og Prof. Chu (høyre) – Kilde: University of Houston
Problemet er at for at et materiale skal være nyttig for industrielle anvendelser, må det vanligvis vise interessante egenskaper når det er i en metastabil tilstand, slik at det kan beholde disse egenskapene under “normale” forhold.
Hittil har kravet om svært høyt trykk ikke bare hindret studiet av materialer som er superledende under disse forholdene, men også gjort fremtidige praktiske anvendelser svært vanskelige, da det ikke vil fungere å holde en kabel, magnet eller jernbanekomponent under så ekstreme trykkforhold, enda mindre enn kravet om ultra‑kalde forhold for de superlederne som brukes i dag.
Høyttrykk‑avkjøling
Å opprettholde superledningsegenskapene ved normalt trykk er det forskerne nettopp har oppnådd.
For å gjøre dette brukte de et spesielt halvledermateriale kalt BST (Bismuth‑Antimony‑Tellurium / Bi0.5Sb1.5Te3). Under trykk opp til ~50 GPa (Gigapascal), eller 500 000 ganger sterkere enn atmosfærisk trykk (1 bar), viser BST tre superledende faser (BST‑I, ‑II og ‑III), hvor den første dukker opp ved 4 GPa.
Forskerne utviklet en prosedyre kalt trykk‑avkjølingsprotokoll (PQP), som gjør at den trykkinduserte fasen kan vedvare ved romtemperatur.
Ikke bare ble BST‑I‑fasen bevart, men også BST‑II‑ og ‑III‑fasene.
De brukte en diamant‑anvil for å oppnå det ekstreme trykket som kreves.
Kilde: University of Houston
De elektriske og magnetiske egenskapene ble analysert ved bruk av et svært sensitivt instrument kalt Magnetization Property Measurement System (MPMS).
Kilde: University of Houston
Forbedring av arbeidstemperaturen
Ved testing var disse superledende fasene ikke bare i utgangspunktet stabile ved romtrykk, men også beholdt disse tilstandene over tid og når de ble utsatt for høyere temperaturer.
Dette betyr imidlertid ikke at dette er en romtemperatur‑superleder, kun at fasene er stabile ved normalt trykk og kan vise ekte superledning når de kjøles ned.
BST er kjent for å vise superledning ved 10,2 K (-262,9 °C / -441,3 °F). Forskerne fant at både depressureringen og trykk‑avkjølingsprotokollen forbedret BSTs overgangstemperatur, noe som gjør det til et godt alternativ for å forbedre eksisterende superledende materialer.
“Dette eksperimentet demonstrerer tydelig at man kan stabilisere den høytrykk‑induserte fasen ved atmosfærisk trykk via en subtil elektronisk overgang uten en symmetrisk endring, og tilbyr en ny vei for å beholde materialfasene av interesse og verdier som vanligvis kun eksisterer under trykk.
Prof. Paul Chu – Forsker ved University of Houston
Fremtidige anvendelser
Selv om dette ikke umiddelbart skaper superledende materiale, åpner det veien for en ny metode for å oppdage og designe superledende materialer.
Hittil har høytrykk‑superledning hatt svært få praktiske anvendelser, og en romtemperatur‑superleder måtte vise denne egenskapen uavhengig av trykkets effekt.
Hvis trykk‑avkjølingsprotokollen kan generaliseres, kan dette bidra til å stabilisere lovende superledende materialer under normale forhold, som hittil kun har fungert ved høyt trykk.
“Interessant nok avdekket dette eksperimentet en ny tilnærming for å oppdage nye tilstander av materie som opprinnelig ikke eksisterer ved atmosfærisk trykk eller selv under høytrykk‑forhold.
Det demonstrerer at PQP er et kraftig verktøy for å utforske og skape ukartlagte regioner av materialfasediagrammer.
Prof. Liangzi Deng – Forsker ved University of Houston
Det kan også forbedre kjente superledere slik at deres overgangstemperatur blir høyere.
Dette kan åpne veien for påfølgende tilstander, og gjøre det mulig å lage en superleder som kan fungere ved «bare» 78 K (-195 °C / -319 °F), eller kokepunktet til flytende nitrogen, et mye lettere håndterbart kjølemiddel enn flytende helium, som for eksempel i dag brukes i de superledende magnetene i ITER.
Superledningsselskap
AMSC Prisdiagram
AMSC er et selskap som leverer energiløsninger for strømnettet, skip og vindenergi. Generelt jo mer kraftkrevende eller massiv et system er, jo mer krever det superledningsteknologi for å unngå overoppheting.
Til tross for navnet leverer ASMC ikke bare superledningssystemer, men også for eksempel girdrivverk for vindturbiner.
Selskapet drar nytte av flere vekstdrivere, fra trenden med elektrifisering og digitalisering (inkludert AI‑datasentre), men også tilbakeflytting av amerikanske produksjonskapasiteter og behovet for at marine i den engelsktalende verden moderniserer seg som svar på økende geopolitiske risikoer.
I strømforsyningssegmentet har AMSC sett en jevn økning i bestillinger. Dette ble drevet av halvlederfabrikker som ønsker beskyttelse mot strømnettfluktuasjoner, som hjelper nettet med å håndtere den intermittente naturen til fornybar energi, samt strømforsyning & kontroll på industrielle anlegg.
I vindturbinsegmentet er AMSC hovedsakelig aktiv med Electrical Control System (ECS). Historisk sett var ESC et sterkt segment for selskapet med 2 MW vindturbiner, men det har gradvis gått ned. AMSC sikter mot en oppsving takket være den nye 3 MW turbindesignet, med spesielt fokus på det indiske markedet.
Kilde: American Superconductor Corporation
For militære skip leverer ASMC «AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure», et system for å endre skipenes magnetiske signatur for å beskytte dem mot sjøminer. Dette selges til USAs, Canadas og Storbritannias marine, med bestillinger på $75 M så langt.
Alt i alt gjør ASMC det best ved å utnytte superledningsteknologi i nisje‑applikasjoner som er levedyktige i dag, mens de sannsynligvis er klare til å implementere ytterligere fremskritt i fremtiden. Investorer bør også merke seg at aksjen har opplevd ekstrem volatilitet tidligere, og beregne risikoen deretter.
Studierreferanse:
1.Deng, B. et al, (2025) Opprettelse, stabilisering og undersøkelse ved atmosfærisk trykk av trykkindusert superledning i Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122
