Süperiletkenlikteki İlerleme Yeni Bir Teknolojik Devrimin Kapılarını Açıyor

Süperiletkenlik Sınırları

Elektrik, tarihteki en dönüştürücü teknolojilerden biri olmuş, uzun mesafelere çok faydalı bir enerji biçiminin iletimini mümkün kılmıştır. Ancak her elektrik sistemi, akım uygulandığında ısı üretimine yol açan elektrik direnciyle karşı karşıyadır.

Alternatif olarak, sözde süperiletken malzeme bulunmaktadır. Süperiletken malzemelerin elektrik direnci sıfırdır; bu sayede ısı üretmeden veya güçlü manyetik alanlar oluşturmadan son derece güçlü akımlar kullanılabilir.

Süperiletkenlik olmadan, parçacık hızlandırıcılar, MR cihazları ve manyetik levitasyon trenleri gibi birçok modern teknoloji mümkün olmazdı.

Problem, bu uygulamaların tümünün düşük sıcaklık süperiletkenliğine dayanmasıdır; malzemeler yalnızca -253°C/-423°F (20 K) gibi çok düşük sıcaklıklarda, sıvı helyumla soğutulduğunda süperiletken olur.

Deneysel füzyon reaktörlerindeki manyetikler gibi bazı uygulamalar için gereken sıcaklık 4 K (mutlak sıfırın sadece 4 derece üzeri) kadar düşük olabilir, ancak bu durum iyileşmektedir (aşağıya bakınız).

Bu kadar düşük sıcaklıkları korumak zordur ve çok enerji tüketir. Bu yüzden, diğer teknolojiler ve uygulamalar süperiletkenlikten faydalanabilir, ancak ekonomik açıdan nadiren uygulanabilir.

Yüksek Sıcaklık Süperiletkenliği

Bu yüzden, malzemelerin daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken kalabilmesi ihtimali heyecan vericidir. Bu bağlamda, “yüksek” sıcaklık -185°C ila -135°C arasında olabilir ancak bu, geleneksel süperiletken sıcaklıklara göre çok daha ulaşılabilirdir; sıvı helyum yerine sıvı azot kullanılabilir.

Tabii ki ideal malzeme, donma noktasının hemen altında ya da hatta oda sıcaklığında süperiletken olmalıdır.

Oda Sıcaklığında Süperiletkenlik

2023 yazında, haber viral oldu ve “İlk Oda Sıcaklığında ve Atmosferik Basınçta Süperiletken” başlıklı bir bilimsel makale yayımlandı. LK-99 adlı bir malzemenin 127°C/260°F’ye kadar süperiletken olduğu bildirildi. Bakır ve kurşun gibi yaygın malzemeler (bakır ikameli kurşun apatit – CSLA) kullanması keşfin potansiyelini daha da artırdı.

Bakır kristaller – Kaynak: DOE

Bu, süperiletkenlikle ilgili hisse senetlerinde bir mikro balon oluşturdu; örneğin American Superconductor (AMSC ) hisse fiyatları %60 artış gösterdi.

İddia hemen tartışıldı ve tekrarlanması zor olduğu bulundu.

LK-99 Süperiletkenlik Hikayesi

Ancak bu hikaye henüz bitmedi. Ocak 2024’te, iki başka araştırma ekibi de LK-99’un süperiletkenlik potansiyelini gözlemledi.

İlginç bir şekilde, her ekip farklı üretim yöntemleriyle kendi LK-99 versiyonunu yeniden yarattı; bu da gözlemlenen sonuçların muhtemelen malzemeye bağlı olduğunu, olası bir safsızlık ya da hatadan ziyade gösteriyor.

Dolayısıyla bu bir yanlış alarm olmayabilir. Görünüşe göre, üretim süreci şu an için son derece verimsiz, bu da testin negatif çıkmasını kolaylaştırıyor.

Bu yüzden, LK-99’un ilk keşfinin tekrarlanmasının hiç de basit olmadığını söylemek şaşırtıcı değil.

“… mevcut en iyi bilinen süreç (kullandıkları süreç) ile sentezlenen örnekler, iddia edilen süperiletken parçacıklarla karışık yüksek oranlı süperiletken olmayan madde içeriyor. Bu senaryoda, test ettikten sonra örnekleri ölü olarak yanlış beyan etmek kolaydır.

Makale için dayandıkları süperiletken örneklerden biri Kasım 2023’te üretilmiş, başarısız olduğu belirlenmiş ve yaşamının çeşitli aşamalarında atılmak üzere hazırlanıyordu.

Source: Tom’s Hardware

Süperiletkenlik Potansiyeli

Oda sıcaklığında süperiletkenler hâlâ ulaşılmaz olsa da, araştırmacılar malzemeyi -80°C ila -70°C gibi “yüksek” sıcaklıklarda süperiletken tutmanın bir yolunu bulabilirler.

Bu, olası uygulamaları tamamen değiştirecektir; süperiletkenlik artık mRNA aşılarını saklayan dondurucularda kullanılan soğutma teknolojisiyle, daha pahalı sıvı helyum ya da azot yerine sağlanabilir.

1990’larda zaten tartışılan olası uygulamalar şunlardır:

• Daha İyi MR, daha yüksek çözünürlük ve daha ucuz üretim ve işletme maliyetleriyle, çok daha rutin bir tıbbi muayene haline gelebilir.
• Elektromanyetik itiş sürücü sistemleri (aynı zamanda mıknatıshidrodinamik (MHD) sürücüler) deniz suyunu elektrifikasyonla gemileri itmek için.
• Daha güçlü ve verimli elektrik motorları.
• Daha yüksek yoğunluklu ve daha güvenli piller Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) ile.
• Süperiletken sınırlayıcılar, anahtarlar ve sigortalar elektrik şebekesi altyapısını iyileştirmek için.
• Kayıpsız uzun mesafe enerji iletimi, örneğin güneş panellerinin hâlâ güneşte olduğu bir şehir binlerce kilometre uzakta enerji alabilir.
• Daha ucuz ve bakımı daha kolay manyetik levitasyon trenleri ya da ileride Hyperloop sistemleri.
• Algılayıcılar/magnetometreler (Superconducting Quantum Interference Devices – SQUIDS) endüstriyel ortamlarda kullanılmak üzere.
• Süperiletken kuantum hesaplama
  • (kuantum hesaplama ilerlemesi hakkında daha fazla bilgi için “The Current State of Quantum Computing ” makalemize bakabilirsiniz.)
• Savunma & Uzay uygulamaları, radyasyon kalkanları, elektromanyetik fırlatmalar, manyetik rulmanlar, algılayıcılar, ray silahları, bobin silahları, lazerler ve diğer enerji silahları dahil.

Kaynak: DOE

Süperiletkenlik ve Nükleer Füzyon

Nükleer füzyon, süperiletkenlerin daha yüksek sıcaklıklarda çalışmasının büyük fayda sağlayacağı bir başka uygulamadır.

Tüm ticari nükleer füzyon yöntemleri, on milyonlarca ya da yüz milyonlarca dereceye ısıtılan plazmayı tutmak ve sıkıştırmak için son derece güçlü manyetiklere dayanır.

2021’deki ilk başarıdan sonra, MIT’in Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi (PSFC) bir süperiletken manyetinin nükleer füzyon reaktörlerinde kullanılabilecek kadar güçlü olmasını sağlamak için çalıştı.

Yeni füzyon manyetik tasarımı, önceki 4 K yerine 16 K’de süperiletken. Bir ana yenilik, manyetik telin etrafındaki tüm izolasyonun kaldırılmasıdır. Bu da, daha basit bir üretim süreci ya da daha fazla yapısal dayanıklılık gibi ek iyileştirmeler için alan açtı.

Kaynak: Phys.org

“Sept. 5 gösterisinden önce, en iyi mevcut süperiletken manyetikler, füzyon enerjisine ulaşabilecek kadar güçlüydü—ancak yalnızca pratik ya da ekonomik olarak uygulanabilir olmayacak boyut ve maliyetlerde. Daha sonra, bu kadar güçlü bir manyetiğin çok daha küçültülmüş bir boyutta pratik olduğunu gösteren testler, “bir gecede, bir füzyon reaktörünün watt başına maliyetini neredeyse 40 kat azalttı”

Dennis Whyte – Hitachi America Engineering Profesörü

Bu keşiflerini IEEE Transactions on Applied Superconductivity’de yayımlanan 6 bilimsel makalenin bir derlemesi içinde yayınladılar. 16 K füzyon manyetiklerinin nasıl inşa edileceğini ayrıntılı olarak açıkladılar; bu manyetikler 20 Tesla’ya kadar yoğun bir manyetik alan üretir.

Sınırı Test Etmek

Yeni füzyon manyetik tasarımının güvenli bir şekilde çalışabileceğini kanıtlamak için, ekip tasarımı aktif olarak zorlu durumlara soktu. Son test, manyetimin bir köşesinde kısmen erimesine yol açtı. Ve manyetimin çoğu elemanı (%95+), tasarımın dayanıklılığını göstererek hayatta kaldı.

Bir o kadar etkileyici olan, araştırmacıların modeli manyetimin nasıl başarısız olacağını mükemmel bir şekilde tahmin etmesiydi.

Deneyim aynı zamanda böyle bir malzeme için tedarik zincirini de test etti; MIT çıkışlı bir şirket olan CFS (Commonwealth Fusion Systems) iş birliğiyle 300 kilometre (186 mil) yüksek sıcaklık süperiletken kullanıldı.

Füzyon Süperiletken Manyetinin Geleceği

Bir süre daha, füzyon reaktörleri 20 K’nin altında kalmak için sıvı helyum kullanan, iyi anlaşılmış ve test edilmiş süperiletkenlere dayanacak.

Ancak, daha yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin yalnızca mümkün olduğu değil, çok daha yönetilebilir sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir olduğu görülüyor.

Uzun vadede, bu tür süperiletken manyetikler füzyon reaktörlerinin performansını artırabilir ve maliyetlerini düşürerek ticari uygulanabilirliğini sağlayabilir.

Bu, insanlık için neredeyse sınırsız bir enerji kaynağının kilidini açacak, gıda üretimi, tuzdan arındırma, iklim değişikliği, uzay seyahati vb. konulardaki mevcut sorunlarımızı önemsiz hâle getirecek.