Pag-unlad sa Superkonduktibidad Nagbubukas ng Daan para sa Isang Bagong Rebolusyong Teknolohikal

Mga Hangganan ng Superkonduktibidad

Ang kuryente ay isa sa mga pinaka-makapangyarihang teknolohiya sa kasaysayan, na nagbibigay-daan sa paghahatid ng napaka-kapaki-pakinabang na anyo ng enerhiya sa malalayong distansya. Ngunit ang bawat sistemang elektrikal ay humaharap sa resistensya, na nagreresulta sa pagbuo ng init kapag may inilalapat na kuryente.

Mayroong alternatibo, ang tinatawag na superkonduktibong materyal. Ang mga superkonduktibong materyal ay may resistensyang elektrikal na zero, na nagpapahintulot sa paggamit ng napakalakas na kuryente nang hindi nagbubuo ng init o malalakas na magnetic field.

Kung wala ang superkonduktibidad, maraming makabagong teknolohiya ang hindi magiging posible, kabilang ang mga particle accelerator, MRI, at mga maglev na tren.

Ang problema ay ang lahat ng mga aplikasyon na ito ay nakabatay sa low-temperature superconductivity, kung saan ang mga materyales ay nagiging superkonduktibo lamang kapag pinalamig sa napakababang temperatura tulad ng 20°K/-253°C/-423°F, kabilang ang paggamit ng liquid helium.

Para sa ilang aplikasyon tulad ng mga magnet sa mga eksperimento ng fusion reactor, ang kinakailangang temperatura ay maaaring kasing baba ng 4°K (lamang 4 na grado higit sa absolute zero), bagaman ito ay patuloy na bumubuti (tingnan sa ibaba).

Ang ganitong napakababang temperatura ay mahirap panatilihin at kumokonsumo ng maraming enerhiya. Kaya, bagaman maaaring makinabang ang iba pang teknolohiya at aplikasyon mula sa superkonduktibidad, bihira itong maging ekonomikong praktikal.

Superkonduktibidad sa Mataas na Temperatura

Ito ang dahilan kung bakit kapana-panabik ang posibilidad na ang mga materyales ay manatiling superkonduktibo sa mas mataas na temperatura. Sa kontekstong ito, ang “mataas” na temperatura ay maaaring kasing lamig ng -185°C hanggang -135°C ngunit ito ay mas madaling maabot kaysa sa tradisyunal na temperatura ng superkonduktibidad, gamit ang liquid nitrogen imbis na liquid helium.

Ngunit siyempre, ang perpektong materyal ay magiging superkonduktibo sa mga temperatura na bahagyang mas mababa pa sa pagyeyelo o kahit sa temperatura ng silid.

Superkonduktibidad sa Temperatura ng Silid

Noong tag-init ng 2023, isang balita ang sumiklab matapos mailathala ang isang siyentipikong artikulo na pinamagatang “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor“. Isang materyal na tinatawag na LK-99 ang inilarawan na gumagana bilang superkonduktor hanggang 127°C/260°F. Ang paggamit nito ng mga pangkaraniwang materyales tulad ng tanso at tingga (copper-substituted lead apatite – CSLA) ay nagdagdag pa sa potensyal ng tuklas.

Kristal ng Tanso – Pinagmulan: DOE

Ito pa nga ay nagdulot ng isang micro-bubble sa mga equity na may kaugnayan sa superkonduktibidad, halimbawa, isang +60% na pagtaas sa presyo ng stock ng American Superconductor (AMSC ).

Ang pahayag ay agad na kinontra at napatunayang mahirap ulitin.

Kuwento ng Superkonduktibidad ng LK-99

Ngunit hindi pa tapos ang kuwentong ito. Noong Enero 2024, dalawang iba pang pangkat ng pananaliksik ang nakapansin din sa potensyal ng LK-99 para sa superkonduktibidad.

Kagiliw-giliw, bawat koponan ay muling lumikha ng kanilang sariling bersyon ng LK-99 sa pamamagitan ng iba’t ibang pamamaraan ng paggawa, na nagpapahiwatig na ang mga nakitang resulta ay malamang na nauugnay sa materyal kaysa sa anumang posibleng dumi o pagkakamali.

Kaya may pag-asa na ito ay hindi isang maling alarma. Ang tila nangyayari ay ang proseso ng paggawa ay, sa ngayon, lubhang hindi epektibo, na nagiging madali para sa isang pagsusuri na magbigay ng negatibong resulta.

Kaya, marahil hindi nakakagulat na ang pag-uulit ng paunang pagtuklas ng LK-99 ay hindi naging madali.

“…kahit ang mga sample na sinintetisa alinsunod sa kasalukuyang pinakamainam na proseso (ang ginamit nila) ay may mataas na porsyento ng hindi-superkonduktibong materyal na halo sa mga sinasabing superkonduktibong bahagi. Sa ganitong sitwasyon, madaling maling ituring na patay ang mga sample kahit na nasubukan na.

isa sa mga superkonduktibong sample na kanilang ginamit sa papel ay ginawa pa noong Nobyembre 2023, natukoy na ito ay walang silbi, at muntik nang itapon sa iba’t ibang yugto ng buhay nito.”

Source: Tom’s Hardware

Potensyal ng Superkonduktibidad

Kahit na ang mga superkonduktor sa temperatura ng silid ay nananatiling mahirap hanapin, maaaring makahanap ang mga mananaliksik ng paraan upang mapanatiling superkonduktibo ang materyal sa mga temperaturang “mataas” tulad ng -80°C hanggang -70°C.

Ito ay ganap na magbabago sa mga posibleng aplikasyon, dahil ang superkonduktibidad ay maaaring umasa na sa teknolohiyang pagpapalamig na ginagamit sa mga freezer na nag-iimbak ng mga bakunang mRNA imbis na mas mahal na liquid helium o nitrogen.

Sa pagitan ng mga posibleng aplikasyon na tinalakay na noong 1990s ay:

• Mas Pinahusay na MRI, na may mas mataas na resolusyon at mas mura sa paggawa at pagpapatakbo, na nagpapahintulot na maging mas pangkaraniwang medikal na pagsusuri.
• Mga sistemang electromagnetic thrust drive (kilala rin bilang magnetohydrodynamic (MHD) drives) para itulak ang mga barko sa pamamagitan ng pag-electrify ng tubig-dagat.
• Mas malakas at mas epektibong electric engine.
• Mas mataas na densidad at mas ligtas na mga baterya gamit ang Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES).
• Superconductive limiters, switches, at fuses para mapabuti ang imprastruktura ng electric grid.
• Long-distance power transmission without losses, na maaaring magpataas ng kahusayan ng renewable energy, halimbawa gamit ang mga solar panel na nasa araw pa rin na nagpapagana ng lungsod na libu-libong kilometro ang layo.
• Mas mura at mas madaling panatilihin ang maglev trains o sa hinaharap ay mga Hyperloop system.
• Sensors/magnetometers (Superconducting Quantum Interference Devices – SQUIDS) para sa aplikasyon sa mga industriyal na setting.
• Superconducting quantum computing
  • (maaari mong basahin ang higit pa tungkol sa pag-unlad ng quantum computing sa aming artikulo “The Current State of Quantum Computing ”).
• Defense & Aerospace applications, kabilang ang radiation shields, electromagnetic launches, magnetic bearings, sensors, railguns, coilguns, lasers, at iba pang energy weapons.

Pinagmulan: DOE

Superkonduktibidad at Nuclear Fusion

Ang nuclear fusion ay isa pang aplikasyon na lubos na makikinabang mula sa mga superkonduktor na gumagana sa mas mataas na temperatura.

Lahat ng iba’t ibang paraan upang makamit ang komersyal na nuclear fusion ay nakasalalay sa napakalakas na mga magnet upang pigilan at i-compress ang plasma na pinainit sa sampu-sampung o daang milyong grado.

Pagkatapos ng unang tagumpay noong 2021, isang pangkat ng pananaliksik sa MIT’s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) ang nagtrabaho sa paggawa ng isang superkonduktibong magnet na sapat ang lakas upang magamit sa mga nuclear fusion reactor.

Ang bagong disenyo ng fusion magnet ay superkonduktibo sa 16°K imbis na dating 4°K. Isang pangunahing inobasyon ay ang pagtanggal ng lahat ng isolation sa paligid ng conductive wire ng magnet. Dahil dito, nagkaroon ng puwang para sa karagdagang pagpapabuti, tulad ng mas simpleng proseso ng paggawa o mas matibay na estruktura.

Pinagmulan: Phys.org

“Bago ang demonstrasyon noong Setyembre 5, ang pinakamahusay na magagamit na mga superkonduktibong magnet ay sapat na malakas upang potensyal na makamit ang enerhiya ng fusion—ngunit lamang sa mga sukat at gastos na hindi kailanman magiging praktikal o ekonomikong kapaki-pakinabang. Pagkatapos, nang ipakita ng mga pagsusuri ang praktikalidad ng ganoong malakas na magnet sa napakalaking nabawasang sukat, “sa isang gabi, halos binago nito ang gastos kada watt ng isang fusion reactor ng halos 40 na beses sa isang araw”

Inilathala nila ang kanilang mga natuklasan sa isang koleksyon ng 6 na siyentipikong papel na inilathala sa IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Ipinaliwanag nila nang detalyado kung paano buuin ang mga ganitong 16°K fusion magnet, na lumilikha ng magnetic field na kasing tindi ng 20 Teslas.

Pagsusuri sa Hangganan

Nais nilang patunayan na ang bagong disenyo ng fusion magnet ay maaaring mag-perform nang ligtas, kaya aktibong inilagay nila ito sa mahihirap na sitwasyon. Ang huling pagsusuri ay nagresulta sa bahagyang pagkatunaw ng magnet sa isang sulok. At kahit na karamihan ng mga elemento ng magnet ay nakaligtas (95%+), na nagpapakita ng katatagan ng disenyo.

Ang kapansin-pansing katulad nito ay ang modelo ng mga mananaliksik ay perpektong naipredikta ang paraan ng pagkabigo ng magnet.

Ang karanasan ay sinubukan din ang supply chain para sa ganitong materyal, gamit ang 300 kilometro (186 milya) ng high-temperature superconductor sa pakikipagtulungan sa CFS (Commonwealth Fusion Systems, isang MIT-spinout na kumpanya)

Ang Hinaharap ng Fusion Superconductive Magnet

Sa ilang panahon pa, ang mga fusion reactor ay magtitiwala sa mga kilala at nasubukang superkonduktor na gumagamit ng liquid helium upang manatiling mas mababa sa 20°K.

Gayunpaman, tila ang superkonduktibidad sa mas mataas na temperatura ay hindi lamang posible kundi malamang na magagawa sa mas madaling pamahalaang mga temperatura.

Sa pangmatagalan, ang mga ganitong superkonduktibong magnet ay maaaring makatulong sa pagpapabuti ng performance ng mga fusion reactor, pati na rin pababain ang kanilang presyo, na magbibigay-daan sa komersyal na pagiging praktikal.

Ito ay magbubukas ng halos walang limitasyong mapagkukunan ng enerhiya para sa sangkatauhan, na ginagawang maliit na usapin ang ating kasalukuyang mga suliranin ukol sa produksyon ng pagkain, desalination, pagbabago ng klima, paglalakbay sa kalawakan, atbp.