Als je denkt dat technologieën uit Star Trek vergezocht lijken, denk nog eens na. Veel van de toestellen uit de veelgeprezen televisieserie worden langzaamaan realiteit. Hoewel we misschien niet snel mensen van ruimteschepen naar het oppervlak van een planeet teleporteren, we komen steeds dichter bij de ontwikkeling van andere instrumenten die essentieel zijn voor toekomstige ruimtevaartinspanningen.

Ik ben een levenslange Star Trek-fan, maar ik ben ook een onderzoeker die gespecialiseerd is in het maken van nieuwe magnetische materialen. Het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie omvat alle nieuwe vaste en vloeibare fasen van materie, en de studie ervan heeft geleid tot bijna elke technologische vooruitgang van de vorige eeuw, van computers tot mobiele telefoons tot zonnecellen.

Mijn benadering van het zoeken naar nieuwe fenomenen in materialen komt vanuit een scheikundig perspectief:hoe kunnen we materialen creëren met nieuwe eigenschappen die onze wereld kunnen veranderen, en uiteindelijk worden gebruikt om "vreemde, nieuwe werelden"? Ik geloof dat een goed begrip van de zogenaamde "kwantummaterialen" in het bijzonder essentieel is om sciencefiction tot een wetenschappelijk feit te maken.

Kwantummaterialen

Wat maakt een stof tot een kwantummateriaal? Kwantummaterialen hebben ongewone en fantastische eigenschappen die ontstaan ​​door enorme aantallen deeltjes die op een gecoördineerde manier werken.

Denk aan een dirigent die een symfonie regisseert:zonder enige ordening in de muziek, alles wat je hebt is lawaai. Hoe meer muzikanten je uit de pas laat lopen, hoe meer geluid je hebt.

Een kwantummateriaal heeft alle samenstellende muzikanten - in dit geval de elektronen of atomen in een materiaal, wat neerkomt op miljarden en miljarden deeltjes - die op een bepaalde manier werken volgens kwantumregels, of de "bladmuziek, " als je wil.

In plaats van ruis van willekeurige elektronische en atomaire bewegingen, met een dirigent krijg je muziek - of in het geval van nieuwe materialen, een nieuw pand dat ontstaat. Het gebruik van deze nieuwe eigenschappen voor apparaten is de drijvende kracht achter de technologische revoluties die we vandaag zien.

Magnetische velden en schilden

Dus, hoe kunnen deze nieuwe materialen worden gebruikt in het ruimtevaartuig van morgen? Een voorbeeld zijn de krachtschilden die schepen in Star Trek beschermen. Hoge magnetische velden kunnen worden gebruikt om lichamen te beschermen tegen inkomende projectielen, vooral als de projectielen een elektrische lading hebben.

Hoe creëer je grote magnetische velden? Een manier is om een ​​supergeleidende magneet te gebruiken. Supergeleiders hebben elektronen die elektriciteit geleiden zonder weerstand tegen stroming. Een van de gevolgen hiervan is dat er grote magnetische velden kunnen worden opgewekt — de stroom die wordt ondersteund door een supergeleider die het magnetische veld opwekt, kan enorm zijn zonder de supergeleiding zelf te vernietigen.

Deze supergeleiders worden elke dag gebruikt om grote magnetische velden te creëren in plaatsen zoals ziekenhuizen voor MRI-apparaten (magnetic resonance imaging) om in het lichaam te kijken.

Geavanceerde supergeleiders hebben mogelijk nieuwe toepassingen als magnetische schilden voor ruimtevaartuigen. Stel je je ruimteschip voor, gecoat in een supergeleider die een groot magnetisch veld kan genereren met een druk op de knop om de stroom te laten stromen, het creëren van een magnetisch krachtschild.

Dit is precies wat wetenschappers van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, CERN, onderzoeken:een nieuw magnetisch schild voor ruimtevaartuigen - supergeleidend magnesiumdiboride, of MgB₂.

Supergeleiders op ruimteschepen

Een ruimteschip bedekt met supergeleidende magneten zou een "magnetosfeer" rond het vaartuig genereren die zou kunnen worden gebruikt om schadelijke projectielen af ​​​​te buigen. Hoewel we ons nog geen zorgen hoeven te maken over Klingon-torpedo's, we moeten ons wel zorgen maken over schadelijke kosmische straling in de ruimte voor toekomstige ruimtereizen.

Kosmische stralen zijn typisch geladen deeltjes die kunnen interfereren met de elektronica van een ruimtevaartuig, en nog belangrijker, astronauten een dodelijke dosis straling geven tijdens lange ruimtevluchten.

Het beschermen van toekomstige ruimtevaartuigen tegen deze stralen is van cruciaal belang voor de toekomst van elk ruimteprogramma, inclusief reizen naar Mars in de komende decennia. En wie weet, met de supergeleidende magneetschilden kun je onderweg misschien aan een Romulan-aanval ontsnappen.

Technische hindernissen

Er is een vangst, echter. Supergeleiders werken niet bij hoge temperaturen en er is geen supergeleider bij kamertemperatuur. Boven een bepaalde temperatuur die de "kritische temperatuur" wordt genoemd, " de supergeleider wordt "normaal" en de elektronen ervaren een weerstand om weer te stromen. Voor magnesiumdiboride, dit gebeurt bij een zeer koude temperatuur - ongeveer -248 . Dit is eigenlijk prima voor interstellaire ruimte waar de achtergrondtemperatuur veel kouder is -270 ℃ of zo, maar het is niet bevorderlijk voor ruimtevaartuigen die andere warmere planeten bezoeken.

Wetenschappers zoals ik zijn op zoek naar supergeleiders op 'kamertemperatuur' waarmee deze schilden bij veel hogere temperaturen kunnen werken. Dit zou ook nieuwe ontwikkelingen in de samenleving mogelijk maken, zoals goedkopere gezondheidszorg, bijvoorbeeld, omdat men geen lage temperaturen nodig heeft om MRI-instrumenten te laten werken.

Echter, supergeleiding bij hoge temperaturen is al tientallen jaren een mysterie, en de vooruitgang gaat langzaam. Als iemand die werkt op de grens tussen natuurkunde en scheikunde, Ik geloof dat het antwoord zal worden gevonden in de ontdekking van nieuwe materialen. historisch, hier is vooruitgang geboekt om de kritische temperatuur te verhogen tot boven het kookpunt van vloeibare stikstof van -196 .

Deze supergeleiders zouden geweldig zijn om te gebruiken als magnetische schildapparaten als je veel delen van de melkweg zou verkennen. Maar ze zouden niet werken op warmere planeten zoals Mars zonder aanzienlijke hoeveelheden cryogenen om de magneten koud te houden.

Quantumcomputers en maatschappelijke revolutie

Supergeleidende technologie zou ook een verscheidenheid aan andere toepassingen hebben aan boord van sterrenschepen. Kwantumcomputers kunnen operaties van grootte ordes sneller uitvoeren dan conventionele computers, en zou ongetwijfeld worden gebruikt op een modern ruimteschip. Wil je een versleuteld bericht naar Starfleet sturen? Als de Klingons een kwantumcomputer hebben, ze kunnen uw bericht mogelijk onderscheppen en hacken, dus je kunt er maar beter voor zorgen dat je de technologie begrijpt.

En supergeleidende elektrische systemen zouden natuurlijk worden gebruikt voor de meest efficiënte apparaten, van ruimteschipmotoren tot tricorders die worden gebruikt in missies op afstand. De opkomst van supergeleiders bij kamertemperatuur zou een transformatie van onze samenleving teweegbrengen die zou kunnen wedijveren met het siliciumtijdperk van moderne elektronica. Hun ontdekking is een essentiële hindernis die we moeten nemen voor het volgende deel van onze evolutie als soort naar een nieuw technologisch tijdperk.

Het zou heel logisch zijn om onze zoektocht naar een supergeleider op kamertemperatuur voort te zetten. Konden we het maar zo maken. Kwantummaterialen bieden vreemde nieuwe ontdekkingswerelden en misschien wel het meest opwindend zijn de technologieën die we nog niet hebben ontdekt - die kwantumeffecten op schaal zullen benutten die mensen gemakkelijk kunnen zien.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.