Afvalwarmte is overal om je heen. Op kleine schaal, als je telefoon of laptop warm aanvoelt, dat komt omdat een deel van de energie die het apparaat aandrijft, wordt omgezet in ongewenste warmte.

Op grotere schaal, elektrische netwerken, zoals hoogspanningslijnen, verliezen meer dan 5% van hun energie tijdens het overdrachtsproces. In een elektriciteitsindustrie die in 2018 meer dan 400 miljard dollar opbracht, dat is een enorme hoeveelheid weggegooid geld.

wereldwijd, de computersystemen van Google, Microsoft, Facebook en anderen hebben enorme hoeveelheden energie nodig om enorme cloudservers en datacenters van stroom te voorzien. Nog meer energie, voor het aandrijven van water- en luchtkoelsystemen, is nodig om de warmte van deze computers te compenseren.

Waar komt deze verspilde warmte vandaan? elektronen. Deze elementaire deeltjes van een atoom bewegen rond en interageren met andere elektronen en atomen. Omdat ze een elektrische lading hebben, terwijl ze door een materiaal bewegen, zoals metalen, die gemakkelijk elektriciteit kunnen geleiden - ze verstrooien andere atomen en genereren warmte.

Supergeleiders zijn materialen die dit probleem aanpakken door energie er efficiënt doorheen te laten stromen zonder ongewenste warmte te genereren. Ze hebben een groot potentieel en veel kosteneffectieve toepassingen. Ze bedienen magnetisch zwevende treinen, magnetische velden genereren voor MRI-machines en zijn recentelijk gebruikt om kwantumcomputers te bouwen, hoewel een volledig werkende nog niet bestaat.

Maar supergeleiders hebben een essentieel probleem als het gaat om andere praktische toepassingen:ze werken bij ultralage temperaturen. Er zijn geen supergeleiders bij kamertemperatuur. Dat "kamertemperatuur"-gedeelte is waar wetenschappers al meer dan een eeuw aan werken. Miljarden dollars hebben onderzoek gefinancierd om dit probleem op te lossen. Wetenschappers over de hele wereld, mij inbegrepen, proberen de fysica van supergeleiders te begrijpen en hoe ze kunnen worden verbeterd.

Het mechanisme begrijpen

Een supergeleider is een materiaal, zoals een puur metaal zoals aluminium of lood, dat, wanneer afgekoeld tot ultra-lage temperaturen, elektriciteit er zonder enige weerstand doorheen kan bewegen. Hoe een materiaal op microscopisch niveau een supergeleider wordt, is geen eenvoudige vraag. Het kostte de wetenschappelijke gemeenschap 45 jaar om in 1956 een succesvolle theorie van supergeleiding te begrijpen en te formuleren.

Terwijl natuurkundigen een begrip van de mechanismen van supergeleiding onderzochten, scheikundigen mengden verschillende elementen, zoals het zeldzame metaal niobium en tin, en probeerde recepten op basis van andere experimenten om nieuwe en sterkere supergeleiders te ontdekken. Er was vooruitgang, maar meestal incrementeel.

Simpel gezegd, supergeleiding treedt op wanneer twee elektronen aan elkaar binden bij lage temperaturen. Ze vormen de bouwsteen van supergeleiders, het Cooper-paar. Elementaire natuurkunde en scheikunde vertellen ons dat elektronen elkaar afstoten. Dit geldt zelfs voor een potentiële supergeleider zoals lood wanneer deze boven een bepaalde temperatuur is.

Als de temperatuur tot een bepaald punt daalt, Hoewel, de elektronen worden meer vatbaar voor paren. In plaats van het ene elektron tegenover het andere, er ontstaat een soort "lijm" om ze bij elkaar te houden.

Materie koel houden

Ontdekt in 1911, de eerste supergeleider was kwik (Hg), het basiselement van ouderwetse thermometers. Om van kwik een supergeleider te maken, het moest worden gekoeld tot ultra-lage temperaturen. Kamerlingh Onnes was de eerste wetenschapper die erachter kwam hoe dat precies moest:door heliumgas samen te persen en vloeibaar te maken. Tijdens het proces, zodra heliumgas een vloeistof wordt, de temperatuur daalt tot -452 graden Fahrenheit.

Toen Onnes met kwik aan het experimenteren was, hij ontdekte dat toen het in een vloeibaar heliumcontainer werd geplaatst en afgekoeld tot zeer lage temperaturen, zijn elektrische weerstand, de oppositie van de elektrische stroom in het materiaal, plotseling gedaald tot nul ohm, een meeteenheid die weerstand beschrijft. Niet dicht bij nul, maar nul precies. Geen weerstand, geen warmteverspilling.

Dit betekende dat een elektrische stroom, eenmaal gegenereerd, zou continu stromen zonder dat er iets is om het te stoppen, in ieder geval in het laboratorium. Er werden al snel veel supergeleidende materialen ontdekt, maar praktische toepassingen waren een andere zaak.

Deze supergeleiders hadden één probleem:ze moesten worden afgekoeld. De hoeveelheid energie die nodig was om een ​​materiaal af te koelen tot zijn supergeleidende toestand was te duur voor dagelijkse toepassingen. Tegen het begin van de jaren tachtig, het onderzoek naar supergeleiders was bijna afgerond.

Een verrassende ontdekking

In een dramatische gang van zaken, in 1987 werd een nieuw soort supergeleidermateriaal ontdekt bij IBM in Zürich, Zwitserland. Binnen maanden, supergeleiders die bij minder extreme temperaturen werkten, werden wereldwijd gesynthetiseerd. Het materiaal was een soort keramiek.

Deze nieuwe keramische supergeleiders waren gemaakt van koper en zuurstof gemengd met andere elementen zoals lanthaan, barium en bismut. Ze waren in tegenspraak met alles wat natuurkundigen dachten te weten over het maken van supergeleiders. Onderzoekers waren op zoek naar zeer goede geleiders, toch waren deze keramiek bijna isolatoren, wat betekent dat er heel weinig elektrische stroom doorheen kan stromen. Magnetisme vernietigde conventionele supergeleiders, toch waren dit zelf magneten.

Wetenschappers waren op zoek naar materialen waar elektronen vrij konden bewegen, maar in deze materialen, de elektronen waren opgesloten en opgesloten. De wetenschappers van IBM, Alex Müller en Georg Bednorz, had eigenlijk een nieuw soort supergeleider ontdekt. Dit waren de hoge temperatuur supergeleiders. En ze speelden volgens hun eigen regels.

Ongrijpbare oplossingen

Wetenschappers hebben nu een nieuwe uitdaging. Drie decennia nadat de hogetemperatuur-supergeleiders werden ontdekt, we hebben nog steeds moeite om te begrijpen hoe ze op microscopisch niveau werken. Elke dag worden er creatieve experimenten uitgevoerd in universiteiten en onderzoekslaboratoria over de hele wereld.

In mijn laboratorium, we hebben een microscoop gebouwd die bekend staat als een scanning tunneling microscoop die ons onderzoeksteam helpt de elektronen aan het oppervlak van het materiaal te "zien". Dit stelt ons in staat te begrijpen hoe elektronen zich binden en supergeleiding vormen op atomaire schaal.

We hebben een lange weg afgelegd in ons onderzoek en weten nu dat elektronen ook paren in deze hoge-temperatuur-supergeleiders. Het is van grote waarde en nut om te beantwoorden hoe supergeleiders bij hoge temperaturen werken, want dat kan de weg zijn naar supergeleiding bij kamertemperatuur. Als we erin slagen een supergeleider bij kamertemperatuur te maken, dan kunnen we de miljarden dollars aanpakken die het kost aan verspilde warmte om energie van elektriciteitscentrales naar steden te transporteren.

Meer opmerkelijk, zonne-energie die in de uitgestrekte lege woestijnen over de hele wereld wordt geoogst, kan worden opgeslagen en overgedragen zonder energieverlies, die steden van energie kunnen voorzien en de uitstoot van broeikasgassen drastisch kunnen verminderen. Het potentieel is moeilijk voor te stellen. Het vinden van de lijm voor supergeleiders bij kamertemperatuur is de volgende vraag van een miljoen dollar.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.