Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που, σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, αρχίζουν να μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα χωρίς αντίσταση — και επομένως χωρίς να παράγουν σπατάλη θερμότητας. Αλλά όλοι οι επιβεβαιωμένοι υπεραγωγοί παρουσιάζουν την ιδιότητα μόνο σε χαμηλές θερμοκρασίες ή κάτω από ακραίες πιέσεις, ή και στα δύο. Ορισμένοι επιστήμονες αναζητούν υλικά στα οποία η μετάβαση στην υπεραγωγιμότητα συμβαίνει σε κανονικές συνθήκες, σε θερμοκρασία δωματίου και πίεση περιβάλλοντος.

Αν και οι απαιτήσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες των σημερινών υπεραγωγών περιορίζουν σοβαρά τη χρήση τους σε καθημερινές εφαρμογές, τα υλικά έχουν γίνει πανταχού παρόντα στο εργαστήριο, όπου οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια σειρά τεχνικών για να μειώσουν τις θερμοκρασίες τους. Αυτό είναι εφικτό, αλλά συχνά προσθέτει κόστος και πολυπλοκότητα σε ένα πείραμα.

Ένα ακραίο παράδειγμα είναι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), ο επιταχυντής στο CERN, το εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής της Ευρώπης κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας. Για να διατηρήσει τα πρωτόνια να κινούνται σε κύκλο 27 χιλιομέτρων, ο LHC δημιουργεί ισχυρά μαγνητικά πεδία με υπεραγώγιμα πηνία που διατηρούνται σε θερμοκρασία μόλις 1,9 Kelvin (–271,25 ºC). Για να γίνει αυτό απαιτείται ένα κρυογονικό σύστημα που περιέχει 96 τόνους υγρού ηλίου, το μεγαλύτερο του είδους του στον κόσμο. «Αν δεν χρειαζόσουν ακραίες θερμοκρασίες, η μηχανική θα απλοποιούνταν», λέει ο Luca Bottura, πυρηνικός μηχανικός που είναι ερευνητής μαγνητών στο CERN.

Επομένως, είναι λογικό ότι ένας υπεραγωγός που λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου ή κοντά σε αυτήν, θα έφερε γρήγορα επανάσταση σε πολλούς τομείς της επιστήμης, σωστά; Οχι τόσο γρήγορα.

Κβαντικές ερωτήσεις

Πάρτε τους κβαντικούς υπολογιστές, την εκκολαπτόμενη τεχνολογία που υπόσχεται να λύσει ορισμένες εργασίες που είναι πέρα ​​από την προσιτότητα των κλασικών υπολογιστών. Μία από τις κορυφαίες προσεγγίσεις για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών είναι η αποθήκευση πληροφοριών σε βρόχους υπεραγώγιμου υλικού. Αυτά ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν (−273,15 ºC) μέσα σε ακριβές συσκευές που μοιάζουν με ρωσικές κούκλες που ονομάζονται ψυγεία αραίωσης.

Σε έναν κβαντικό υπολογιστή που βασίζεται σε υπεραγωγούς, η απόδοση μειώνεται γρήγορα όταν η θερμοκρασία αυξάνεται ακόμη και κατά ένα κλάσμα του βαθμού — για λόγους που δεν έχουν καμία σχέση με την υπεραγωγιμότητα. Οι κβαντικοί υπολογισμοί είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι σε κάθε είδους θόρυβο και οι θερμικές δονήσεις είναι ένας σημαντικός εχθρός, παράγοντας ψευδή «οιονεί σωματίδια», λέει ο Yasunobu Nakamura, ένας συν-εφευρέτης των υπεραγώγιμων κβαντικών υπολογιστών. «Σε περίπου 100–150 millikelvin, αρχίζουμε ήδη να βλέπουμε την αντίθετη επίδραση των θερμικά διεγερμένων οιονεί σωματιδίων», λέει ο Nakamura, ο οποίος είναι φυσικός στο RIKEN στο Wako της Ιαπωνίας.

Σε άλλες περιπτώσεις, το ίδιο το πείραμα μπορεί να μην απαιτεί ακραίο κρύο, αλλά ο υπεραγωγός θα πρέπει να διατηρείται πολύ πιο κρύος από τη θερμοκρασία στην οποία μεταβαίνει στην υπεραγωγιμότητα, γνωστή ως Tc. Οι υπεραγωγοί ποικίλλουν ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες, και σε πολλές εφαρμογές – ειδικά για μαγνήτες υψηλού πεδίου – δύο άλλες ιδιότητες είναι ζωτικής σημασίας. Αυτά ονομάζονται κρίσιμο ρεύμα και κρίσιμο μαγνητικό πεδίο. Η υπεραγωγιμότητα χάνεται όχι μόνο όταν αυξάνονται οι θερμοκρασίες, αλλά και όταν ένα υλικό είτε ωθείται να μεταφέρει περισσότερο από ένα ορισμένο ποσό ρεύματος είτε εκτίθεται σε αρκετά υψηλό μαγνητικό πεδίο.

Ένας κρυοστάτης που φιλοξενούσε έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη υψηλής θερμοκρασίας στο Κέντρο Επιστήμης και Σύντηξης Πλάσματος MIT.
Ένας υπεραγωγός με υψηλή θερμοκρασία μετάπτωσης εγκλωβισμένος στο κρυογονικό του σύστημα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Δημιουργία: David L. Ryan/The Boston Globe μέσω Getty

Είναι πολύ σημαντικό, τόσο το κρίσιμο πεδίο όσο και το κρίσιμο ρεύμα εξαρτώνται από τη θερμοκρασία: όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο υψηλότερο είναι το ρεύμα και το μαγνητικό πεδίο που μπορεί να αντέξει το υλικό. Έτσι, μόνο και μόνο επειδή ένας υπεραγωγός έχει υψηλό T c, αυτό δεν σημαίνει ότι θα είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί σε οποιαδήποτε θερμοκρασία κάτω από το T c. Σε πολλές εφαρμογές, η απόδοση ενός υπεραγωγού θα βελτιώνεται καθώς το σύστημα γίνεται πιο κρύο.

Ευτυχώς, οι καλύτεροι υπεραγωγοί που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι στιγμής, συμπεριλαμβανομένης μιας κατηγορίας που ονομάζεται υπεραγωγοί οξειδίου του χαλκού (ή χαλκού), μπορούν επίσης να αντέξουν πολύ υψηλά μαγνητικά πεδία – όταν διατηρούνται αρκετά κρύα.

Στο πεδίο

Πριν από τέσσερα χρόνια, ένα cuprate χρησιμοποιήθηκε για την απόκτηση ρεκόρ για την ισχύ ενός σταθερού (και όχι παλμικού) μαγνητικού πεδίου στο Εθνικό Εργαστήριο Υψηλού Μαγνητικού Πεδίου των ΗΠΑ (NHMFL) στο Tallahassee της Φλόριντα. Τα υπεραγώγιμα πηνία στο NHMFL παρήγαγαν μαγνητικό πεδίο 45,5 tesla, αλλά μόνο εάν διατηρούνταν σε υγρό ήλιο, άρα κάτω από 4,2 Kelvin. «Δεν χρησιμοποιούμε υπεραγωγούς υψηλού Tc επειδή το Tc είναι υψηλό — τους χρησιμοποιούμε επειδή [το κρίσιμο μαγνητικό τους πεδίο] είναι υψηλό», λέει η φυσικός Laura Greene, επικεφαλής επιστήμονας στο NHMFL .

«Αν θέλετε έναν μαγνήτη υψηλού πεδίου, θέλετε να το εκτελέσετε σε όσο το δυνατόν χαμηλότερη θερμοκρασία, γιατί εκεί παίρνετε την πραγματική δύναμη της υπεραγωγιμότητας», λέει ο Yuhu Zhai, μηχανολόγος και ηλεκτρολόγος μηχανικός σε άλλο εθνικό εργαστήριο των ΗΠΑ. το Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος Πρίνστον (PPPL) στο Νιου Τζέρσεϊ.

Το CERN διερευνά επιλογές για έναν μελλοντικό επιταχυντή σωματιδίων που θα συνέτριβε τελικά πρωτόνια με ενέργειες επτά φορές μεγαλύτερες από ό,τι στον LHC – μια περιοχή στην οποία οι φυσικοί ελπίζουν ότι μπορούν να ανακαλύψουν νέα στοιχειώδη σωματίδια. Για να φτάσουν σε αυτές τις υψηλότερες ενέργειες, τα σωματίδια πρέπει να επιταχυνθούν χρησιμοποιώντας υψηλότερα πεδία ή κατά μήκος μεγαλύτερου βρόχου επιταχυντή ή και τα δύο. Για να κατασκευάσουν μια τέτοια μηχανή, οι φυσικοί ονειρεύονται να σκάψουν μια κυκλική σήραγγα μήκους έως και 100 χιλιομέτρων, δίπλα σε αυτή του LHC. Αλλά ακόμη και με έναν τόσο μεγάλο βρόχο, οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες όπως οι LHC – τέρατα 8-tesla με πηνία νιοβίου-τιτανίου – δεν μπορούσαν να δημιουργήσουν τα απαιτούμενα πεδία, που υπολογίζονται σε 16 έως 18 tesla. «Σε αυτό το σημείο, είναι σαφές ότι πρέπει να στραφούμε σε άλλα υλικά», λέει ο Bottura.

Οι σημερινοί υπεραγωγοί υψηλής περιεκτικότητας σε T c θα μπορούσαν να φτάσουν εκεί — αλλά πιθανώς μόνο εάν διατηρούνται σε θερμοκρασίες υγρού-ηλίου. Μια παρόμοια πρόταση επιταχυντή στην Κίνα, ο κυκλικός επιταχυντής ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, θα χρησιμοποιούσε επίσης μαγνήτες υψηλού Tc . «Έχουμε εξετάσει το ενδεχόμενο υπεραγώγιμων υλικών υψηλής θερμοκρασίας εδώ και αρκετό καιρό, κυρίως χαλκού και με βάση το σίδηρο», λέει ο Wang Yifang, επικεφαλής του Ινστιτούτου Φυσικής Υψηλής Ενέργειας στο Πεκίνο.

Κρίσιμα ρεύματα

Ωστόσο, οι υπεραγωγοί με βάση το οξείδιο του χαλκού έχουν άλλα μειονεκτήματα: είναι εύθραυστα κεραμικά υλικά που είναι ακριβά στην παραγωγή και στην κατασκευή καλωδίων. Τα κρίσιμα ρεύματά τους είναι επίσης πολύ χαμηλά, λέει ο Wang. Μια άλλη κατηγορία υπεραγωγών με βάση τον σίδηρο θα μπορούσε, κατ’ αρχήν, να έχει καλύτερη απόδοση, ενώ έχει το μισό κόστος των οξειδίων του χαλκού, προσθέτει.

Ο Bottura και άλλοι ερευνούν τη σκοπιμότητα ενός εντελώς νέου τύπου επιταχυντή. Αντικαθιστώντας τα πρωτόνια με μιόνια – σωματίδια παρόμοια με τα ηλεκτρόνια αλλά 207 φορές μεγαλύτερης μάζας – ένας επιταχυντής θα μπορούσε να μελετήσει τον ίδιο τύπο φυσικής με έναν επιταχυντή πρωτονίου-πρωτονίου μήκους 100 χιλιομέτρων, αλλά σε έναν πολύ μικρότερο δακτύλιο, ίσως ακόμη και έναν που θα μπορούσε να χωρέσει στο υπάρχουσα σήραγγα LHC. Το να κάνουμε μιόνια να κινούνται σε κύκλο δεν θα περιλαμβάνει μαγνητικά πεδία ιδιαίτερα έντονης ισχύος. Αλλά το αλίευμα είναι ότι η παραγωγή μιας δέσμης μιονίων με τις σωστές ιδιότητες μπορεί να απαιτήσει μαγνήτες έως και 40 tesla.

Σε αυτή την ισχύ, λέει ο Bottura, «το πρόβλημα δεν είναι πλέον ο υπεραγωγός – είναι να διατηρούνται τα πηνία στη θέση τους». Τα ρεύματα μέσα στα ηλεκτρομαγνητικά πηνία τείνουν να απομακρύνουν τον μαγνήτη. Στα 40 tesla, ακόμη και ο πιο δυνατός χάλυβας δεν άντεχε τη μηχανική καταπόνηση. Αντίθετα, οι μαγνήτες μπορεί να χρειαστεί να αξιοποιηθούν χρησιμοποιώντας ισχυρότερα υλικά, όπως ίνες άνθρακα. (Οι απαιτήσεις αντοχής δεν είναι τόσο αυστηρές για τους μαγνήτες NHMFL, οι οποίοι πρέπει να παράγουν υψηλό πεδίο σε ένα χώρο πλάτους μόνο λίγων εκατοστών.)

Έτσι, τόσο στους επιταχυντές πρωτονίων όσο και στους επιταχυντές μιονίων, ένας υπεραγωγός με πολύ καλύτερη απόδοση από οτιδήποτε ανακαλύφθηκε μέχρι τώρα θα μπορούσε να κάνει τεράστια διαφορά, αλλά θα προέκυπταν και άλλες μηχανικές προκλήσεις.

Ταξίδι στη σύντηξη

Η δομική αντοχή θέτει ήδη σοβαρούς περιορισμούς σε μια άλλη κατηγορία μηχανών – εκείνων που στοχεύουν να αξιοποιήσουν την ενέργεια της πυρηνικής σύντηξης. Μια από καιρό καθιερωμένη προσέγγιση στη σύντηξη προσπαθεί να περιορίσει ένα πλάσμα χρησιμοποιώντας μαγνήτες διατεταγμένους σε σχήμα ντόνατ που ονομάζεται τοκαμάκ. Το πλάσμα θερμαίνεται σε εκατομμύρια βαθμούς για να συνθέσει διάφορα ισότοπα υδρογόνου μαζί. Το μεγαλύτερο πειραματικό tokamak στον κόσμο, που ονομάζεται ITER, κατασκευάζεται στη νότια Γαλλία και θα χρησιμοποιήσει τεράστιους μαγνήτες που ψύχονται με υγρό ήλιο για την παραγωγή πεδίων σχεδόν 12 tesla.

Όμως, τόσο τα βιομηχανικά όσο και τα δημόσια χρηματοδοτούμενα εργαστήρια πιέζουν να σχεδιάσουν μαγνήτες tokamak βασισμένους σε υπεραγωγούς υψηλής T c για πολλούς λόγους, λέει ο Zhai. Τα υψηλότερα πεδία θα μπορούσαν να αυξήσουν δραστικά τον ρυθμό με τον οποίο ένας αντιδραστήρας σύντηξης καίει το καύσιμο του, και επομένως να αυξήσουν την ενέργεια που μπορεί να παραχθεί — τουλάχιστον κατ’ αρχήν, επειδή πολλά από τα κρίσιμα βήματα για την εξαγωγή ενέργειας από τη σύντηξη δεν έχουν ακόμη αποδειχθεί. Ένα θετικό αποτέλεσμα της βιομηχανικής προσπάθειας για την αύξηση της παραγωγής μαγνητικών υλικών υψηλής περιεκτικότητας σε T c είναι ότι το κόστος τους έχει μειωθεί. (Εξακολουθούν να είναι πολύ πιο ακριβά από τα νιόβιο-τιτάνιο, ωστόσο.)

Επιπλέον, τα tokamaks θα πρέπει τελικά να παραιτηθούν από την ψύξη υγρού ηλίου, λέει ο Zhai, και όχι μόνο επειδή τα συστήματα ψύξης είναι πολύπλοκα στην κατασκευή. Το ήλιο είναι ένας σπάνιος πόρος και δεν θα ήταν εφικτό να κατασκευαστούν εκατοντάδες αντιδραστήρες μεγέθους ITER που το χρησιμοποιούν.

Η αναζήτηση καλύτερων υπεραγώγιμων υλικών είναι ένα έργο υψηλού κινδύνου, λέει ο Greene, επειδή οι επιτυχίες μέχρι στιγμής ήταν λίγες. Ωστόσο, προσθέτει, «Είναι σκληρή δουλειά, είναι συναρπαστική δουλειά, και κάνει αλλαγές στον κόσμο».