Superledningsbegränsningar

Elektricitet har varit en av de mest omvälvande teknologierna i historien, eftersom den möjliggör överföring av en mycket användbar energiform över långa avstånd. Men varje “normalt” elsystem möter elektrisk resistans, vilket leder till värmeutveckling när en elektrisk ström appliceras.

Ett alternativ finns: de så kallade supraledande materialen. Supraledande material har noll elektrisk resistans, vilket möjliggör extremt kraftfulla strömmar utan att generera värme.

Utan supraledning skulle mycket modern teknik vara omöjlig, inklusive partikelacceleratorer (till exempel CERN), MR och maglevtåg.

Supraledning kommer att vara en avgörande komponent i de mest lovande megaprojekten och tekniska innovationerna, såsom ITER och kärnfusion, massdrivar, kvantdatorer, osv.

Elkraftledningar utan förluster kan också vara avgörande för att utveckla ultralånga nätanslutningar som hjälper till att jämna ut produktionen av förnybar energi över väderförhållanden och tidszoner, vilket löser några av begränsningarna för sol- och vindkraft.

Problemet hittills är att alla dessa tillämpningar bygger på lågtemperatursupraledning, där materialen bara är supraledande när de kyls ner till låga temperaturer som 20 K/-253 °C/-423 °F, vilket vanligtvis kräver flytande helium.

Det gör det inte bara för komplicerat för alla förutom de mest krävande tillämpningarna (maglev, MR, etc.) utan också mycket dyrt, vilket gör det oekonomiskt för många tillämpningar som skulle kunna dra nytta av supraledande material eller någon storskalig användning.

Många vägar till supraledning

Andra former av supraledning än ultrakalla material kräver konstant mycket högt tryck för att materialet ska förbli supraledande. Detta kan vara intressant ur ett experimentellt perspektiv, men ännu mindre praktiskt för industriella tillämpningar eller i energ- och transportinfrastruktur.

Högtemperatursupraledning kan bli ett alternativ, särskilt med det gåtfulla fallet LK-99 (en form av kopparersatt blyapatit – CSLA), en ny typ av supraledare vid omgivningstryck och rumstemperatur. Påståendet bestriddes och kritiserades omedelbart som ett bluff eller ett mätfel, men senare upptäckte andra forskare att det kanske faktiskt händer något.

Hur som helst visar fallet med LK-99 att vi är långt ifrån att veta allt om vad som möjliggör supraledning.

Nyligen verkade vriden bilager av WSe₂ (tungsten selenid) också vara ett bra materialkandidat.

Forskare vid University of Houston, University at Buffalo, University of Illinois, National Sun Yet‑Sen University (Taiwan) och Intellectual Venture öppnar ytterligare upp möjligheterna för supraledande material, genom att ta bort behovet av högt tryck förutom under tillverkningen av materialet.

De publicerade sina resultat¹ i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), under titeln “Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3”.

Supraledning & tryck

Sambandet mellan högt tryck och supraledning har studerats i mer än 30 år nu, sedan deras första upptäckt 1993. Vad som händer är att trycket förändrar materialets atomära beteende, vilket i sin tur påverkar dess elektriska egenskaper.

“2001 misstänkte forskare att applicering av högt tryck på BST förändrade dess Fermi-ytans topologi, vilket ledde till förbättrad termoelektrisk prestanda.

Den kopplingen mellan tryck, topologi och supraledning väckte vårt intresse.”

Prof. Liangzi Deng – Forskare vid University of Houston

Prof. Deng (vänster) and Prof. Chu (höger) – Källa: University of Houston

Problemet är att för att ett material ska vara användbart för industriella tillämpningar måste det vanligtvis uppvisa intressanta egenskaper i ett metastabilt tillstånd, så att det kan behålla dessa egenskaper under “normala” förhållanden.

Hittills har kravet på mycket högt tryck inte bara hindrat studier av material som är supraledande under dessa förhållanden, utan också gjort framtida praktiska tillämpningar mycket svåra att förverkliga, eftersom det inte skulle fungera att hålla en kabel, magnet eller järnvägskomponent under sådana extrema tryckförhållanden, än mindre än kravet på ultrakalla förhållanden för de supraledare som för närvarande används.

Högtrycks‑avkylning

Att bevara supraledningsegenskaperna vid normalt tryck är vad forskarna just har uppnått.

För att göra detta använde de ett speciellt halvledarmaterial kallat BST (Bismuth-Antimony-Tellurium / Bi_0.5Sb₁.5Te₃). Vid tryck upp till ~50 GPa (Gigapascal), eller 500 000 gånger starkare än atmosfärstrycket (1 bar), visar BST tre supraledande faser (BST‑I, ‑II och ‑III), där den första uppträder vid 4 GPa.

Forskarna utvecklade en procedur kallad pressure‑quench‑protokoll (PQP), som möjliggör att den tryckinducerade fasen kvarstår vid rumstryck.

Inte bara bevarades BST‑I‑fasen, utan även BST‑II‑ och ‑III‑faserna.

De använde en diamantankare för att nå det extrema trycket som krävdes.

Källa: University of Houston

De elektriska och magnetiska egenskaperna analyserades med ett mycket känsligt instrument kallat Magnetization Property Measurement System (MPMS).

Källa: University of Houston

Förbättra arbets‑temperaturen

När de testades var dessa supraledande faser inte bara initialt stabila vid rumstryck, utan behöll även dessa tillstånd över tid och när de utsattes för högre temperaturer.

Det betyder dock inte att detta är en rumstemperatur‑supraledare, utan bara att faserna är stabila vid normalt tryck och kan uppvisa verklig supraledning när de kyls ner.

BST är känt för att visa supraledning vid 10,2 K (-262,9 °C / -441,3 °F). Forskarna fann att både avtrycket och pressure‑quench‑protokollet förbättrade BST:s övergångstemperatur, vilket gör det till ett bra alternativ för att förbättra befintliga supraledande material.

“Detta experiment visar tydligt att man kan stabilisera den högtrycksinducerade fasen vid omgivningstryck via en subtil elektronisk övergång utan en symmetriändring, vilket erbjuder en ny väg att behålla materialfaser av intresse och värden som normalt bara existerar under tryck.

Prof. Paul Chu – Forskare vid University of Houston

Framtida tillämpningar

Även om det inte omedelbart skapar supraledande material, öppnar detta vägen för en ny metod att upptäcka och designa supraledande material.

Hittills har högtryckssupraledning haft väldigt få praktiska tillämpningar, och en rumstemperatur‑supraledare måste uppvisa denna egenskap oberoende av tryckets effekt.

Om pressure‑quench‑protokollet kan generaliseras, kan detta hjälpa till att stabilisera lovande supraledande material under normala förhållanden, men som hittills bara fungerat vid högt tryck.

“Intressant nog avslöjade detta experiment ett nytt tillvägagångssätt för att upptäcka nya materietillstånd som ursprungligen inte existerar vid omgivningstryck eller ens under högtrycksförhållanden.

Det visar att PQP är ett kraftfullt verktyg för att utforska och skapa outforskade områden i materialfasdiagram.

Prof. Liangzi Deng – Forskare vid University of Houston

Det kan också förbättra kända supraledare så att deras övergångstemperatur blir högre.

Detta kan öppna vägen för efterföljande tillstånd, vilket gör det möjligt att skapa en supraledare som kan fungera vid ”bara” 78 K (-195 °C / -319 °F), eller kokpunkten för flytande kväve, ett mycket enklare kylmedel än flytande helium, som exempelvis för närvarande används i de supraledande magnetarna i ITER.

Supraledningsföretag

AMSC är ett företag som tillhandahåller energilösningar för elnätet, fartyg och vindenergi. Generellt, ju mer energikrävande eller massiv ett system är, desto mer kräver det supraledningsteknik för att undvika överhettning.

Trots sitt namn erbjuder ASMC inte bara supraledningssystem utan också exempelvis växellådsdrivlinor för vindkraftverk.

Företaget drar nytta av flera tillväxtdrivare, från trenden med elektrifiering och digitalisering (inklusive AI‑datacenter), men också återlokaliseringen av amerikanska tillverkningskapaciteter och behovet av att flottorna i den anglosaxiska världen moderniseras som svar på ökande geopolitiska risker.

Källa: American Superconductor Corporation

I segmentet för strömförsörjning har AMSC sett en stadig ökning av beställningar. Detta har drivits av halvledarfabriker som vill skyddas mot fluktuationer i elnätet, hjälpa nätet att hantera den intermittenta naturen hos förnybar energi, samt strömförsörjning & styrning på industriella platser.

Källa: American Superconductor Corporation

I segmentet för vindkraftverk är AMSC mest aktivt med Electrical Control System (ECS). Historiskt sett var ESC ett starkt segment för företaget med 2 MW‑vindkraftverk, men det har gradvis minskat. AMSC siktar på en återhämtning tack vare den nya 3 MW‑turbindesignen, med särskilt fokus på den indiska marknaden.

Källa: American Superconductor Corporation

För militära fartyg levererar ASMC ”AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, ett system för att förändra fartygets magnetiska signatur för att skydda dem mot havsminor. Detta säljs till USA:s, Kanadas och Storbritanniens flottor, med beställningar på totalt 75 M$ hittills.

Sammanfattningsvis presterar ASMC bäst genom att utnyttja supraledningsteknik i nischade tillämpningar som är genomförbara idag, samtidigt som de sannolikt är redo att implementera ytterligare framsteg i framtiden. Investerare bör också notera att aktien har upplevt extrem volatilitet tidigare, och beräkna riskerna därefter.

Studierreferens:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}