Minste motstands vei

Finner du et material som leder elektrisitet uten noen som helst motstand – og som fungerer i romtemperatur – kommer du antakelig til å få en henvendelse fra Nobel-komiteen.

Kombinasjonen av Hotell Alexandras behagelige komfort og Stryn-naturens villskap, virket nok inspirerende på evnen til å peke ut retningen for superleder-revolusjonen.

Kombinasjonen av Hotell Alexandras behagelige komfort og Stryn-naturens villskap, virket nok inspirerende på evnen til å peke ut retningen for superleder-revolusjonen.

Tenk deg at du fører en ladning strøm inn i en lukket krets. Denne strømmen går i ring i 100 000 år – uten å forsvinne eller reduseres.

Faktisk sier teoretiske beregninger at elektrisiteten vil fortsette sitt kretsløp lenger enn universets levetid. Ved likestrøm avgis det så godt som ingen varme, intet energitap.

Nylig fant det sted en internasjonal workshop i Loen omkring superledere. Her var verdens fremste forskere innenfor teoretisk fysikk, eksperimentell forskning, og representanter fra finansieringskildene tilstede.

De diskuterte en av de store utfordringene innen fysikken i dag: Hvordan kan man realisere superledning ved romtemperatur (RTS – Room Temperature Superconductivity)?

Hva er superledning?

En superleder er et material – grunnstoff, legering eller annen kjemisk sammensetning – som leder elektrisk strøm uten noen som helst motstand.

Professor Kristian Fossheim, NTNU. (Foto: NTNU Info)

Professor Kristian Fossheim, NTNU. (Foto: NTNU Info)

Denne egenskapen opptrer dessverre kun ved svært lave temperaturer – oppdagelsen av superledning ble faktisk gjort med kvikksølv nedfryst til -269 °C.

Siden har forskere gradvis øket den kritiske temperaturen – eller Tc – til det man kaller høytemperatur-superledere. Rekorden er fremdeles «lunken», ved -113 °C.

Nobelpris-spørsmålet er: Hvilke materialer kan gi oss nullmotstand ved normale temperaturer?

Anvendes allerede

For å oppnå de mange kuldegradene som er nødvendig, fryses materialene med flytende nitrogen eller helium.

Dette er komplisert og dermed kostbart, men superledere er allerede et stort marked innenfor MR-teknologi, som er et viktig diagnostiseringsverktøy i helsevesenet. Magnetisk resonans er det viktigste anvendelsesområdet i dag.

Superledere gir oss nemlig de kraftigste elektromagnetene vi kjenner – noe som er blitt testet på magnetiske svevetog i Japan. Teknologien kan også brukes for mer effektive elektriske biler og båter.

Superledning er også en våt drøm innenfor datateknologi – superraske kvantumcomputere.

Kandidat til Nobelpris

Nobelprisen henger som en gulrot foran nesen på den eller de forskerne som klarer å beseire denne fysikkens Goliat.

I 1912 fikk Heine K. Onnes prisen for oppdagelsen av fenomenet. I 1973 gikk fysikkprisen til den såkalte BCS-teorien, som forklarer hvordan superledning virker ved det absolutte nullpunkt (-273,15 °C). I 1987 gikk den til oppdagelsen av såkalte høytemperatur superledere.

Superledning ved romtemperatur kan bli en het kandidat for en fjerde tildeling.

Et spørsmål om materialer

Siden oppdagelsen, har Tc økt med gradvise skritt på til sammen en faktor på 40. Alt som trengs er en ny faktor på 3 for å nå målet om romtemperatur.

– Det er omkring 40 superledere i det periodiske system. Men de fleste av disse har Tc ned mot det absolutte nullpunkt og/eller de må utsettes for et høyt atmosfærisk trykk, forteller Harold Weinstock fra US Air Force – en viktig bidragsyter til forskningen.

Målet kan nås ved å finne den rette kombinasjonen av materialer med superlederegenskaper. Blant annet har kobberoksid og magnesium diboride vist seg som aktuelle kandidater.

– Det er som å lete etter nåla i høystakken. Det er et hav av materialer der ute, som Weinstock uttrykker det.

Nettopp derfor, mener forskerne, er arbeidsmøtet i Loen så viktig, siden det gir mulighet for å koordinere og diskutere veien fremover.

Fysiske lover

Professor Paul Chu betegnes av Fossheim som en «science superstar» i USA. Chu er i alle fall superledningens ledestjerne. Han var med å flytte Tc over kokepunktet for nitrogen, noe som var en voldsom inspirasjon for andre forskere.

Til daglig pendler han halve kloden mellom sitt professorat ved University of Houston og som president ved Hong Kong University of Science and Technology.

Professor Henry Chu. (Foto: Tor H. Monsen/NTNU Info)

Professor Henry Chu. (Foto: Tor H. Monsen/NTNU Info)

– Alle grunnleggende fysiske lover sier at RTS skal kunne realiseres, sier Chu. De siste årenes framskritt har vært utrolige. Vi diskuterer retningen videre. Vi kan velge å forske på eksisterende materialer, eller å søke å utvikle nye. Forskingsperspektivet må være basert på «opplyst empiri», som Chu uttrykker det.

Når kommer gjennombruddet?

Oppdagelsen kan oppstå av mer eller mindre flaks og tilfeldighet. Eller som et resultat av en langvarig, metodisk jakt.

– Gjennombruddet kan komme om ett år, eller mye senere, sier Chu.

Jochen Mannhart ved Universitetet i Augsburg er en sentral forsker på den europeiske siden. Han mener det er en «en rimelig mulighet for å nå målet innen få år».

Flere av forskerne på møtet planlegger imidlertid for ekstraomganger. De legger vekt på viktigheten av å sikre rekrutteringen av unge forskere som er villig til å stå kampen ut.

Over disken

En ting er å finne den rette legeringen av materialer. Materialet skal også kunne produseres, og helst til en konkurransedyktig pris.

Et lovende material kalt «brunt pulver», brukte man år på å lage ferdig kabel av. Superledende kabel koster da også omtrent 100 ganger mer enn den konvensjonelle varianten.

– Den dagen man som vanlig forbruker går inn i butikken og spør etter elektrisk kabel, og ekspeditøren spør: «Vanlig eller superledende?», da har vi nådd målet, sier Weinstock.

Supert miljøtiltak

Superledning kan også bidra til å spare en uhorvelig mengde elektrisitet.

– Mellom åtte og ti prosent av elektrisiteten som går gjennom det amerikanske strømnettet kommer aldri fram til forbrukerne. Med tanke på de senere års sammenbrudd i strømforsyningen i enkelte deler av USA, har superledere et stort potensial til å avhjelpe situasjonen, sier Harold Weinstock.

New Scientist skriver at energibesparelsene kan redde kloden fra flere millioner tonn CO2-utslipp i året.

– Tilsvarende i Norge, forteller professor Kristian Fossheim ved NTNU, tilsvarer tapet i det norske strømforsyningen antakelig i størrelsesorden et til to store vannkraftverk.

Fossheim var medarrangør for arbeidsmøtet. Fra Norge deltok foruten Fossheim, professor Asle Sudbø fra NTNU og Øystein Fischer fra Universitetet i Genève.