Fremgang innen superledere baner vei for en ny teknologisk revolusjon

Begrensninger for superledning

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

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 eller sterke magnetfelt.

Uten superledning ville mange moderne teknologier ikke vært mulige, inkludert partikkelakseleratorer, MR, og magnetiske levitasjonstog.

Problemet er at alle disse anvendelsene er basert på lavtemperatursuperledning, hvor materialene kun er superledende når de kjøles ned til lave temperaturer som 20 K/-253 °C/-423 °F, ofte med flytende helium.

For noen anvendelser, som magneter i eksperimentelle fusjonsreaktorer, kan den nødvendige temperaturen være så lav som 4 K (bare 4 grader over absolutt null), selv om dette forbedres (se nedenfor).

Such extremely low temperatures are hard to maintain and consume a lot of energy. So, while other technologies & applications could benefit from superconductivity, it is rarely economically viable to do so.

Høytemperatursuperledning

This is why the prospect of materials being able to stay superconductive at higher temperatures is an exciting prospect. In that context, “high” temperature can be as cold as -185°C to -135°C but this is a lot more easy to reach than the traditional superconductive temperature, using liquid nitrogen instead of liquid helium.

But of course, the ideal material would be superconductive at temperatures just below freezing or even room temperature.

Romtemperatursuperledning

Sommeren 2023 ble et nyhetsinnslag viralt etter publiseringen av en vitenskapelig artikkel med tittelen «The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor». Et materiale kalt LK-99 ble beskrevet som en superleder opptil 127 °C/260 °F. At det benyttet vanlige materialer som kobber og bly (kobber-substituert blyapatitt – CSLA) økte bare potensialet i oppdagelsen.

Kobberkrystaller – Kilde: DOE

Det utløste til og med en mikroboble i aksjemarkedet relatert til superledning, for eksempel en +60 % økning i aksjekursene til American Superconductor (AMSC ).

Påstanden ble umiddelbart bestridt og viste seg vanskelig å replikere.

Historien om LK-99-superledning

Men denne historien er ikke over ennå. I januar 2024 har to andre forskningsteam også observert LK-99s potensial for superledning.

Interessant nok gjenskapte hvert team sin egen versjon av LK-99 gjennom ulike produksjonsmetoder, noe som indikerer at de observerte resultatene sannsynligvis er knyttet til materialet mer enn til en mulig urenhet eller feil.

Så det er noe håp om at dette ikke er en falsk alarm. Det som ser ut til å være tilfelle er at produksjonsprosessen foreløpig er ekstremt ineffektiv, noe som gjør det lett for en test å gi et negativt resultat.

Derfor er det kanskje ikke overraskende at replikering av den opprinnelige oppdagelsen av LK-99 har vært alt annet enn enkelt.

“…selv prøver syntetisert etter den nå best kjente prosessen (den de brukte) har en høy andel ikke-superledende materiale blandet inn med de påståtte superledende delene. I et slikt scenario er det lett å feilaktig erklære prøver som døde selv etter testing.

en av de superledende prøvene de baserte artikkelen sin på, ble fremstilt allerede i november 2023, ble vurdert som en dritt, og var i ferd med å bli kastet bort på flere tidspunkt i sin levetid.”

Source: Tom’s Hardware

Potensialet for superledning

Selv om romtemperatursuperledere fortsatt er unnvikende, kan forskere finne en måte å holde materialet superledende ved temperaturer så «høye» som -80 °C til -70 °C.

Dette ville fullstendig endre mulige anvendelser, da superledning da kunne baseres på kjøleteknologi som brukes i frysebokser for lagring av mRNA‑vaksiner i stedet for dyrere flytende helium eller nitrogen.

Blant de mulige anvendelsene som allerede ble diskutert på 1990‑tallet er:

• Bedre MR, med høyere oppløsning og billigere å bygge og drifte, gjør det mulig å bli en mye mer rutinemessig medisinsk undersøkelse.
• Elektromagnetiske skyvedrevssystemer (også kalt magnetohydrodynamiske (MHD)-drift) for å drive skip ved å elektrifisere sjøvann.
• Mer kraftige og effektive elektriske motorer.
• Høyere energitetthet og sikrere batterier med Superledende magnetisk energilagring (SMES).
• Superledende begrensere, brytere og sikringer for å forbedre infrastrukturen i strømnettet.
• Langdistansestrømoverføring uten tap, som kan øke effektiviteten til fornybar energi, for eksempel ved at solcellepaneler som fortsatt er i solen kan forsyne en by tusenvis av kilometer unna.
• Billigere og enklere å vedlikeholde maglev-tog eller senere Hyperloop-systemer.
• Sensorer/magnetometre (Superledende kvanteinterferensdetektorer – SQUIDs) for bruk i industrielle miljøer.
• Superledende kvanteberegning
  • (du kan lese mer om fremdriften innen kvanteberegning i vår artikkel «The Current State of Quantum Computing »).
• Forsvars- og romfartsapplikasjoner, inkludert strålingsskjold, elektromagnetiske oppskytinger, magnetiske lagre, sensorer, railguns, coilguns, lasere og andre energivåpen.

Kilde: DOE

Superledning og kjernekraftfusjon

Kjernekraftfusjon er en annen anvendelse som ville ha stor nytte av superledere som fungerer ved høyere temperaturer.

Alle ulike metoder for å oppnå kommersiell kjernekraftfusjon er avhengige av ekstremt kraftige magneter for å inneholde og komprimere plasmaet som varmes opp til titalls eller hundrevis av millioner grader.

Etter en første suksess i 2021 arbeidet et forskningsteam ved MITs Plasma Science and Fusion Center (PSFC) med å lage et superledende magnet som var kraftig nok til å kunne brukes i kjernekraftfusionsreaktorer.

Det nye fusionsmagnetdesignet er superledende ved 16 K i stedet for tidligere 4 K. En viktig innovasjon er fjerning av all isolasjon rundt magnetens ledende tråd. Dette frigjorde igjen plass til ytterligere forbedringer, som en enklere fremstillingsprosess eller større strukturell styrke.

Kilde: Phys.org

“Før demonstrasjonen 5. september var de beste tilgjengelige superledende magnetene kraftige nok til potensielt å oppnå fusjonsenergi – men kun i størrelser og kostnader som aldri kunne være praktiske eller økonomisk levedyktige. Så, da testene viste praktisk bruk av et så sterkt magnet i en betydelig redusert størrelse, «over natten endret det i bunn og grunn kostnaden per watt for en fusionsreaktor med en faktor på nesten 40 på én dag»”

Dennis Whyte – Hitachi America professor i ingeniørfag

De publiserte sine oppdagelser i en samling på 6 vitenskapelige artikler publisert i IEEE Transactions on Applied Superconductivity. De forklarte i detalj hvordan man bygger slike 16 K fusionsmagneter, som genererer et magnetfelt så sterkt som 20 tesla.

Testing av grensen

I iverksettelsen av å bevise at det nye fusionsmagnetdesignet kan fungere trygt, satte de det også aktivt i vanskelige situasjoner. Den siste testen resulterte i at magneten delvis smeltet i ett hjørne. Og selv de fleste magnetkomponentene overlevde (over 95 %), noe som demonstrerer designets robusthet.

Det som var like imponerende, var at forskernes modell perfekt forutså hvordan magneten sviktet.

Erfaringen testet også forsyningskjeden for slikt materiale, ved å bruke 300 kilometer (186 miles) høytemperatursuperleder i samarbeid med CFS (Commonwealth Fusion Systems, et MIT‑spinn‑off‑selskap).

Fremtiden for fusjons‑superledende magneter

En stund til vil fusjonsreaktorer være avhengige av velkjente og testede superledere som bruker flytende helium for å holde seg under 20 K.

Imidlertid ser det ut til at høytemperatursuperledning ikke bare er mulig, men sannsynligvis kan realiseres ved mye mer håndterbare temperaturer.

På lang sikt kan slike superledende magneter bidra til å forbedre ytelsen til fusjonsreaktorer, samt senke prisen, noe som gjør kommersiell levedyktighet mulig.

Dette ville åpne opp en nesten ubegrenset energikilde for menneskeheten, og gjøre våre nåværende utfordringer knyttet til matproduksjon, avsalting, klimaendringer, romfart osv. trivielle.