Supraledare — men när?

av Bjarne Nyman Forum 1987-14, sida 28-29, 24.09.1987

Taggar: Teman: supraledare

Detta är den första bild (ca 20 miljoner gångers förstoring) som IBM:s forskare tagit av atomstrukturen hos ett supraledande material vid hög temperatur. De vertikala pelarna av ljusare punkter är koppar och Ssyreatomer; de flankeras av mörkare pelare av bariumatomer — inne i dessa finns yttriumatomer. I “lådan” nertill mitt på bilden tre atomer som utgör basenheten i ämnets atomstruktur. Lådans sida är 1,2 nanometer eller 1,2 miljarddels meter.

upralednring är ett fenomen som upptäcktes av holländaren Heike Kam merlingh Onnes redan i början av seklet. Då konstaterades, att vissa material förlorar sina elektriska motståndsegenskaper vid temperaturer i närheten av absoluta nollpunkten, dv s ca. —273”C eller OCK. I sådana material kan elektricitet transporteras helt utan förluster.

Få praktiska tillämpningar

På grund av att supraledningen hittills trotts uppträda endast vid ytterst låga temperaturer har de praktiska tillämpningarna av fenomenet blivit få. Det är nämligen dyrt att hålla matrial nerkylda till temperaturer nära absoluta nollpunkten. Det lyckas endast med hjälp av flytande helium och helium i vätskeform är dyrt.

År 1911 kunde supraledning konstateras vid 4,2 ”K, 20 år senare vid 10 ”K, på fyrtiotalet nåddes 15 ”K och på 1970-talet 23 ”K.

Den stora vändningen kom i början av 1986, när två forskare vid !BM:s forskningscentrum I Zörich upptäckte att vissa kopparoxider är supraledande även vid 35 grader ovanför absoluta nollpunkten. Denna upptäckt har nu lett till att alla forskningsinstitut världen över med aktiviteter på området har intensifierat sina satsningar på supraledning.

I början av året kom rapporter från USA och de berättade om att den s k gränstemperaturen för supraledning hace lyfts upp till närmare 100 ”K. Forskarna har även lyckats framställa material som är supraledande vid 225 ”K, alltså endast ett femtiotal grader under nollpunkten på Celsius-skalan. Till och med rumstemperaturer har nämnts

IBM-forskaren K Alex Muller har varit en av för grundsgestalterna då supraledartorskningen kört igång på nytt — de första rönen gjordes redan i början av seklet.

2 $ 7 « i Lå 5 z j t ä

Förväntningarna på

SUPRALEDARE skruvas upp

Flipp eller flopp? Supraledande material kan bli lika revolutionerande för tekniken som halvledarna redan blivit. Steget från laboratorioresultat till fungerande tekniska lösningar är dock fortfarande långt.

för vissa nya keramiska material. Problemet med dessa material är att de inte är stabila utan faller sönder av sig själva.

Stora möjligheter

Tillämpningarna för supraledande material kan bli många. Hittills har supraledning utnyttjats i experimentsyfte, t ex supraledande magneter i tåg som bygger på magnetisk levitation. De starka magnetfälten lyfter tåget från skenan och den framdrivande kraften fås med hjälp av ett varierande magnetfält utan kontakt mellan tåget och rälsen. Denna prototyp som gjorts av japanerna är emellertid opraktisk och dyr på grund av den kylkapacitet som behövs för att hålla magneterna i supraledande skick. Men farten är det inget fel på. Prototypen innehar hastighetsrekordet för tåg: 515 kmin.

I dag utnyttjas supraledning främst inom medicinen (Magnetic Resonance Imaging) för att iaktta ytterst små förändringar i magnetfäll. Apparaturen kan t ex användas för diagnosticera hjärntumörer och andra avvikelser i vävnaderna. Kostnaderna för MRIutrustning är dock mycket höga och störst delen av pengarna går till flytande helium och värmeisoleringen.

Förlustfri eltransmission och snabba datorer

Med de forskningsresultat som hittills nåtts kan tillämpningarna redan nu utökas krafigt. De högre gränstemperaturerna gör att lytande kväve kan användas i stället för flytande helium för nedkylningen. Flytande kväve är betydligt billigare än helium i vätskeform. Kokpunkten är —196”C.

Om forskarna lyckas ta fram stabila ma erial som är supraledande nära rumstemperatur kommer otaliga tillämpningar att se dagens ljus. En naturlig tillämpning är att utnyttja supraledande material i elledningar. Stora föruster uppstår i dagens elnät på grund av motståndet i ledningarna. Med supraledande kablar försvinner förlusterna, som idag kan uppgå till flera procent av totalenergin. Dessutom kunde storleken på överföringsutrustningen minskas kraftigt.

Forskare i USA har beräknat att supraledande ledningar för kraftöverföring me 14/1987 FORUN,

F dagens teknik d v s kylning med flytande helium, blir ekonomiskt attraktiva när efekten överstiger 3000 MV. Sådana kraftledningar existerar emellertid ine. Världens kraftigaste kraftledning idag finns i USA och den överför en effekt på 2000 MW. Supraledande kraftledningar skulle i praktiken innebära att många av de svåraste problemen i elproduktionen och -konsumtionen kunde avhjälpas. Avlägsna energiresurser kunde tas i bruk och kontinenterna kunde kopplas ihop med supraledande kablar längs havsbottnen. Dygnsvariationerna i konsumtionen kunde jämnas ut med världsomspännande elnät.

Elmotorer kunde göras mindre och effek ivare, likaså generatorer och en hel del annan elektrisk utrustning. IBM:s engagemang i forskningen kring supraledande material har givetvis med daateknik att göra. Supraledande material skulle eliminera problemen med värmeföruster i datorns integrerande kretsar och därmed göra datorerna mer kompakta än dagens. Mera kunskap om supraledningen som fenomen kunde även ge upphov till da’orer som är 10 gånger snabbare.

Tillverkningen lätt men ändå svår

En stor fördel hos supraledande material ät att de i princip är lätta att tillverka. Det behövs inte mera än att de ingående oxiderna blandas i rätt förhållande och värms upp till närmare 1000 grader. Vid denna temperatur får materialet den struktur som gör det supraledande.

Problemet med de keramiska materialen är att de inte som sådana låter sig användas t ex i kablar eller I tunna membran. De är helt enkelt för sköra.

Holländaren Onnes gjorde sina supraledande upptäcker i början av seklet med kvicksilver. Sedan tog det ett fyrtiotal år innan andra supraledande material hittades. Den första oxidbaserade supraledaren hittades för 12 år sedan, bariumblyvismutoxid. Gränstemperaturen för denna oxid var dock endast 13 ”K.

IBM:s forskare Möller och Bednorz gjorde sina experiment med ett material baserat på oxider av barium, lantanium och koppar. Genom att variera sammansättningen av dessa oxider i det keramiska materialet

FORUN, 14/1987

Genom att tillämpa plasmajetteknik har Richard Guarnieri och Jerome Cuomo vid IBM lyckats ”måla” olika stycken med ett ämne som är supraledande vid höga temperaturer. På bilden bla en spiral, en stor kopparpanel och ett cylindriskt kärl — exempel som illustrerar möjligheterna att med IBM:s metod förfärdiga olika slag av supraledande stycken för bia industriella tillämpningar.

lyckades de åstadkomma faser med högre gränsetemperaturer för supraledning än någonsin tidigare.

Andra generationens supraledare

Därifrån var steget inte långt till att börja experimentera med att byta ut oxider för att få bättre supraledande egenskaper. Vid uni versitetet i Houston byttes lantan ut mot yttrium. En förening med yttrium, barium och koppar i förhållandet 1:2:3 gav ett keramiskt material som var supraledande ännu vid —183”C. Materialet kan följaktligen kylas med hjälp av flytande kväve.

Till skillnad från många andra supraledande keramiska material har yttrium-ba Närbild av keramisk platta på vilken monterats supraledande högtemperaturträdförbindelser. Sådana kunde användas I datorer för att förena logik- och minneskretsar.

rium-kopparoxiden goda stabilitetsegenskaper. Helt problemfritt är materialet emellertid inte, därför att den ingående mängden syre är avgörande för supraledningsegenskaperna. Dessutom har det visat sig vara svårt att tillverka tunnfilmer av materialet. Sådana måste kunna tillverkas för att materialet skall kunna utnyttjas inom elektroniken.

Forskningsinsatserna inom supraledarteknologi har snabbt nått nya rekord. I Japan uppskattas de årliga satsningarna på supraledarforskning redan ligger i miljardklassen. I USA har satsningarna tillsvidare inte varit lika stora, men kommer förmodligen att skjuta snabbt i höjden även där.

I Finland är Statens tekniska forskningscentra! och ce flesta tekniska högskolorna involverade i forskning som ansluter sig till supraledare. Det hittills främsta finländska forskningsresultatet berör klarläggande av kristallstrukturen för yttriumbariumkopparoxid. Bjarne Nyman 29