Framsteg inom supraledning banar väg för en ny teknologisk revolution

Supraledningsgränser

Elektricitet har varit en av de mest omvälvande teknologierna i historien och möjliggör överföring av en mycket användbar energiform över långa avstånd. Men varje elsystem möter elektrisk resistans, vilket resulterar i värmeutveckling när en elektrisk ström appliceras.

Ett alternativ finns, det så kallade supraledande materialet. Supraledande material har noll elektrisk resistans, vilket möjliggör extremt kraftfulla strömmar utan att generera värme eller starka magnetfält.

Utan supraledning skulle mycket modern teknik vara omöjlig, inklusive partikelacceleratorer, MR, och magnettåg.

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

För vissa tillämpningar, som magneter i experimentella fusionsreaktorer, kan den erforderliga temperaturen vara så låg som 4 K (endast 4 grader över absolut noll), även om detta förbättras (se nedan).

Så extremt låga temperaturer är svåra att upprätthålla och förbrukar mycket energi. Således, även om andra teknologier och tillämpningar skulle kunna dra nytta av supraledning, är det sällan ekonomiskt hållbart.

Högtemperatursupraledning

Det är därför utsikterna för material som kan förbli supraledande vid högre temperaturer är så spännande. I detta sammanhang kan “hög” temperatur vara så kall som -185 °C till -135 °C, men detta är mycket lättare att uppnå än den traditionella supraledningstemperaturen, genom att använda flytande kväve istället för flytande helium.

Men naturligtvis skulle det ideala materialet vara supraledande vid temperaturer strax under fryspunkten eller till och med rumstemperatur.

Rumstemperatursupraledning

Sommaren 2023 gick ett nyhetsinslag viralt efter publiceringen av en vetenskaplig artikel med titeln “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”. Ett material kallat LK-99 beskrevs som fungerande som supraledare upp till 127 °C/260 °F. Att det använde vanliga material som koppar och bly (kopparsubstituerad blyapatit – CSLA) ökade bara upptäcktspotentialen.

Kopparkristaller – Källa: DOE

Det utlöste till och med en mikro-bubbla i aktier relaterade till supraledning, till exempel en +60 % på American Superconductor (AMSC ) -aktiekurser.

Påståendet bestriddes omedelbart och visade sig vara svårt att reproducera.

LK-99 Supraledningsberättelse

Men historien är ännu inte slut. I januari 2024 har två andra forskarlag också observerat LK-99:s potential för supraledning.

Intressant nog återskapade varje team sin egen version av LK-99 genom olika tillverkningsmetoder, vilket indikerar att de observerade resultaten sannolikt är kopplade till materialet snarare än någon möjlig förorening eller fel.

Så det finns viss hopp om att detta inte är ett falskt larm. Vad som verkar vara fallet är att tillverkningsprocessen för närvarande är extremt ineffektiv, vilket gör det lätt att ett test blir negativt.

Så det är kanske ingen överraskning att replikera den ursprungliga upptäckten av LK-99 har varit allt annat än enkelt.

“…även prover som syntetiserats enligt den nuvarande bäst kända processen (den de använde) tenderar att ha en hög andel icke‑supraledande material blandat med de påstådda supraledande delarna. I ett sådant scenario är det lätt att felaktigt förklara prover som döda även efter testning.

ett av de supraledande proverna som de baserade sin artikel på tillverkades redan i november 2023, bedömdes vara ett misslyckande och var på väg att kastas bort vid flera tillfällen under dess livstid.”

Source: Tom’s Hardware

Supraledningspotential

Även om rumstemperatursupraledare förblir svåra att uppnå, kan forskare hitta ett sätt att hålla material supraledande vid temperaturer så “höga” som -80 °C till -70 °C.

Detta skulle fullständigt förändra möjliga tillämpningar, eftersom supraledning då kan förlita sig på kylteknik som används i frysar för lagring av mRNA-vacciner istället för dyrare flytande helium eller kväve.

Bland de möjliga tillämpningarna som redan diskuterades på 1990-talet finns:

• Bättre MR, med högre upplösning och billigare att bygga och driva, vilket gör det till en mycket mer rutinmässig medicinsk undersökning.
• Elektromagnetiska drivsystem (även kallade magnetohydrodynamiska (MHD)-driv) för att driva fartyg genom att elektrifiera havsvatten.
• Mer kraftfulla och effektiva elektriska motorer.
• Högre energitäthet och säkrare batterier med Supraledande magnetisk energilagring (SMES).
• Supraledande begränsare, brytare och säkringar för att förbättra elnätsinfrastrukturen.
• Långdistanskraftöverföring utan förluster, vilket skulle kunna öka förnybar energis effektivitet, till exempel med solpaneler som fortfarande i solen driver en stad tusentals kilometer bort.
• Billigare och enklare att underhålla maglevtåg eller senare Hyperloop-system.
• Sensorer/magnetometrar (Supraledande kvantinterferensdetektorer – SQUIDS) för tillämpning i industriella miljöer.
• Supraledande kvantberäkning
  • (du kan läsa mer om framsteg inom kvantberäkning i vår artikel “The Current State of Quantum Computing ”).
• Försvars- och rymdteknikapplikationer, inklusive strålskydd, elektromagnetiska uppskjutningar, magnetiska lager, sensorer, railgunar, coilgunar, laser och andra energivapen.

Källa: DOE

Supraledning och kärnfusion

Kärnfusion är en annan tillämpning som skulle ha stor nytta av supraledare som fungerar vid högre temperaturer.

Alla olika metoder för att uppnå kommersiell kärnfusion förlitar sig på extremt kraftfulla magneter för att innehålla och komprimera plasma som värms upp till tiotals eller hundratals miljoner grader.

Efter en första framgång 2021 arbetade ett forskarlag vid MIT:s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) med att skapa en supraledande magnet som är tillräckligt kraftfull för att kunna användas i kärnfusionsreaktorer.

Den nya fusionsmagnetdesignen är supraledande vid 16 K istället för tidigare 4 K. En viktig innovation är borttagandet av all isolering runt magnetens ledande tråd. Detta frigjorde i sin tur utrymme för ytterligare förbättringar, såsom en enklare tillverkningsprocess eller ökad strukturell styrka.

Källa: Phys.org

“Före demonstrationen den 5 september var de bästa tillgängliga supraledande magnetarna tillräckligt kraftfulla för att potentiellt uppnå fusionsenergi—men endast i storlekar och kostnader som aldrig kunde vara praktiska eller ekonomiskt hållbara. Sedan, när testerna visade praktikaliteten av en så stark magnet i en kraftigt reducerad storlek, ”över en natt förändrades i princip kostnaden per watt för en fusionsreaktor med en faktor på nästan 40 på en dag”.

Dennis Whyte – Hitachi America Professor of Engineering

De publicerade sina upptäckter i en samling av 6 vetenskapliga artiklar publicerade i IEEE Transactions on Applied Superconductivity. De förklarade i detalj hur man bygger sådana 16 K fusionsmagneter, som genererar ett magnetfält så starkt som 20 tesla.

Testa gränsen

Ihärdig att bevisa att den nya fusionsmagnetdesignen kan fungera säkert, satte de den också aktivt i svåra situationer. Det senaste testet resulterade i att magneten delvis smälte i ett hörn. Och även de flesta magnetdelarna överlevde (95 %+), vilket demonstrerade designens robusthet.

Vad som var lika imponerande är att forskarnas modell exakt förutsade hur magneten misslyckades.

Erfarenheten testade också leveranskedjan för sådant material, med användning av 300 kilometer (186 miles) högtemperatursupraledare i samarbete med CFS (Commonwealth Fusion Systems, ett MIT‑spin‑off‑företag).

Framtiden för fusionssupraledande magnet

Under en tid till kommer fusionsreaktorer att förlita sig på väl förstådda och testade supraledare som använder flytande helium för att hålla sig under 20 K.

Det verkar dock att högtemperatursupraledning inte bara är möjlig utan sannolikt kan uppnås vid mycket mer hanterbara temperaturer.

På lång sikt kan sådana supraledande magneter hjälpa till att förbättra fusionsreaktorers prestanda samt sänka deras pris, vilket möjliggör kommersiell lönsamhet.

Detta skulle låsa upp en nästan obegränsad energikälla för mänskligheten, vilket gör våra nuvarande problem med livsmedelsproduktion, avsaltning, klimatförändringar, rymdresor osv. triviala.