supergeleiding

De stikstofgekoelde, supergeleidende REBCO kabel (links) kan evenveel stroom geleiden als de dikke stroomkabel (rechts). Dankzij deze technologie kan het nieuwe fusiereactormodel tien keer zo compact worden.

Krachtiger magneetveld maakt over-unity kernfusiereactor voor het eerst mogelijk

1 reactie / Ideeën / Door / 12 augustus 2015

Een experimentele kernfusiereactor zoals ITER kost tientallen miljarden, maar is nog steeds niet in staat meer elektriciteit op te leveren dan er in gaat. Dat gaat veranderen met een nieuw reactordesign, zegt althans een groep onderzoekers.

Enorm potentieel, altijd dertig jaar in de toekomst
Kernfusie ligt altijd dertig jaar in de toekomst, gaat een oude grap die al zo lang meegaat als kernfusieonderzoek zelf. En dat is lang: al meer dan zestig jaar wordt er onderzoek gedaan naar kernfusie. Dat is niet voor niets. Kernfusie, het samensmelten  van twee lichte atoomkernen tot een zwaardere atoomkern, zou ons in staat stellen om gebruik te maken van een bijna onuitputtelijke energiebron. Er is op aarde rond de 1015 ton deuterium. Een kubieke meter zeewater bevat 300x meer energie dan een kubieke meter benzine.
Het project begon als een uit de hand gelopen studentenopdracht aan de Amerikaanse technische universiteit MIT in Boston, in een werkgroep geleid door een van de auteurs, Dennis Whyte. Door deze opdracht kregen de studenten de smaak te pakken en bleven aan het project werken.

De stikstofgekoelde, supergeleidende REBCO kabel (links) kan evenveel stroom geleiden als de dikke stroomkabel (rechts). Dankzij deze technologie kan het nieuwe fusiereactormodel tien keer zo compact worden.
De stikstofgekoelde, supergeleidende REBCO kabel (links) kan evenveel stroom geleiden als de dikke stroomkabel (rechts). Dankzij deze technologie kan het nieuwe fusiereactormodel tien keer zo compact worden.

Half zo klein als de ITER-reactor
In de nieuwe fusiereactor, op basis van het bestaande tokamakmodel van ITER, wordt gebruik gemaakt van bestaande technologie en materialen. Het is dus een nu al haalbaar ontwerp. Tokamaks hebben een reactiekamer in de vorm van een torus, of donut. Het verschil is, dat in de nieuwe reactor alle koperen stroomkabels rond de reactiekamer zijn vervangen door een supergeleidend materiaal. Daardoor kunnen er veel sterkere stromen doorheen en dus worden de elektromagneten, die het plasma in de fusiereactor gevangen houden, veel krachtiger. De hoeveelheid fusie in een tokamak fusiereactor neemt toe met de vierde macht van de sterkte van het magneetveld. Daardoor kan de fusiereactor de helft kleiner, en dus goedkoper, worden dan de bestaande tokamakreactors. Het magneetveld in de nieuwe reactor is bijna twee keer zo sterk als in ITER, waardoor de hoeveelheid fusie tien keer zo groot wordt. ITER is een monsterlijk ding met een doorsnede van een meter of dertig. Deze nieuwe reactor is veel kleiner, rond de vijftien meter. De reactor kan eveneens in tien jaar gebouwd worden, maar voor een aanzienlijk lager bedrag dan de 25 miljard euro die het ITER-project opslokt.

Het materiaal dat in het nieuwe ontwerp voor de stroomkabels wordt gebruikt, de met vloeibare stikstof gekoelde supergeleider REBCO, bestond nog niet toen ITER werd ontworpen.

Papier is geduldig
Het gaat hier om een ontwerp dat nog niet in de praktijk is gebouwd. Hoewel de fysica erachter bekend is en uitgebreid getest, kunnen er altijd nu nog niet voorziene complicaties optreden. Mogelijk veroorzaken de extreem sterke magneetvelden een quench in de REBCO supergeleider, doordat ze de supergeleidende zone inperken en zo overbelasten.

Bron
ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets,” Fusion Engineering and Design, dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.07.008

Het Meissnereffect in actie. Supergeleidend materiaal blijft zweven boven een magneet. bron: Cambriodge University, UK

“Onmogelijke” supergeleider ontdekt

2 reacties / Techniek / Door / 9 december 2014

Enkele dagen geleden beschreven we supergeleiding op kamertemperatuur. Nu is er weer een doorbraak gerapporteerd. Zwavelhydride blijkt onder hoge druk supergeleiding te vertonen bij 180 kelvin, dus 93 graden onder nul. Het gaat hier om ‘klassieke’ supergeleiding, wat volgens het boekje alleen vlak boven het absolute nulpunt kan optreden.

Supergeleiding is een bizar verschijnsel waarbij alle elektrische weerstand verdwijnt. Je kan in principe van een supergeleidende spoel, een permanente magneet kunnen maken door er even een keer met een magneet langs te rissen. Dit soort experimentjes ligt ver buiten bereik van de gemiddelde hobbyist, want supergeleiding treedt alleen op bij extreem lage temperaturen. Klassieke (buik-) supergeleiding, waarbij het hele materiaal supergeleidend is, zelfs alleen tot maximaal 35 kelvin (-248 graden C).

Nu is een team onderzoekers er in geslaagd om supergeleiding op te wekken in zwavel(II)hydride, een zout waarbij waterstof zich niet als zuur gedraagt (H+) maar juist als een negatief ion (H–). Hiervoor brachten ze een enorme druk aan: 150 gigapascal, rond de 18.000 atmosfeer. Deze druk is alleen op te wekken met een diamantpers. Bij rond de 190 kelvin, (-87 graden Celsius) daalde de weerstand plotseling sterk.

Bulk-supergeleiding
Bulk-supergeleiding is erg populair onder technici. Bulk-supergeleiders kunnen enorme stroomsterktes verwerken, zonder dat het materiaal gaat haperen. De reden dat bijvoorbeeld de supergeleidende elektromagneten bij het CERN uit een bulk-supergeleidende niobium legering bestaan, die extreem gekoeld moet worden. Een zeer sterk magnetisch veld van zeven tesla kon de supergeleiding niet stoppen. Volgens de onderzoekers zou hiervoor een tien keer zo sterk veld nodig zijn, wat er sterk op wijst dat ook dit een bulk supergeleider is, maar dan een die maar liefst 150 graden minder gekoeld hoeft te worden. De meer delicate hoge-temperatuur supergeleiders, waar supergeleiding alleen in dunne atoomdikke laagjes optreedt, kunnen al door een wak magnetisch veld uitgeschakeld worden.

Het Meissnereffect in actie. Supergeleidend materiaal blijft zweven boven een magneet. bron: Cambriodge University, UK
Het Meissnereffect in actie. Supergeleidend materiaal blijft zweven boven een magneet. bron: Cambriodge University, UK

Hoe nu verder?
Ten eerst zal deze ontdekking grondig moeten worden geverifieerd. Zo zal moeten worden getest of het Meissner effect optreedt; geen eenvoudige zaak als het monster in een diamantpers geklemd is. Zolang dat niet het geval is, is nog nioet zeker of hier daadwerkelijk sprake is van bonafide supergeleiding.
Uiteraard is een supergeleider waarvoor je een diamantpers nodig hebt, niet erg praktisch. Wel zet deze onverwachte ontdekking de supergeleidingsonderzoekers op het spoor van een beter begrip van supergeleiding. Klaarblijkelijk is er een onbekend effect, waardoor bulksupergeleiding ook bij hogere temperaturen op kan treden. Dit effect boven water krijgen zou de weg kunnen openen naar echte kamertemperatuur supergeleiders die ook onder normale druk kunnen functioneren.

MIkhail Eremets et al., Conventional superconductivity at 190 K at high pressures, ArXiv preprint server, 2014

Doordat de laagjes koperoxide, de lichtblauwe laag, gingen trillen, werden ze dikker (en de isolerende laag ertussen dunner). Bron: MPG

Mijlpaal: supergeleiding bij kamertemperatuur bereikt

2 reacties / natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door / 7 december 2014

Voor het eerst in de geschiedenis is het onderzoekers gelukt om supergeleiding te bereiken bij kamertemperatuur, zij het voor slechts een minieme fractie van een seconde. Wanneer komt er praktische supergeleiding?

Wat is supergeleiding?
Supergeleiding werd rond de honderd jaar geleden ontdekt door de Leidse hoogleraar Kamerlingh Onnes. Hij was bezig om gassen steeds verder te koelen (de man slaagde er ook als eerste in om helium vloeibaar te krijgen). Plotseling viel alle weerstand weg en bleef de stroom oneindig lang doorcirkelen.

Supergeleiders beloven dingen als energieopslag, energiebesparing, magnetische zweefbanen, zeer krachtige magneten en daarmee: zeer sterke elektromotoren. In de meeste supergeleidende materialen ligt de kritische temperatuur op slechts enkele kelvin (de SI-temperatuureenheid kelvin staat gelijk aan de graad Celsius, alleen met 0 K = -273,15 C: het absolute nulpunt). Deze temperatuur bereiken, kan alleen met zeer logge en kostbare koelsystemen met vloeibaar helium. Eind vorige eeuw werd het keramische materiaal YBCO ontdekt, dat een veel hoger kritisch punt kent: 73 kelvin, boven het kookpunt van stikstof en dus veel makkelijker te bereiken. YBCO en vergelijkbare materialen kennen een bijzondere gelaagde structuur, waardoor zogeheten Cooperparen, paren gebonden elektronen die supergeleiding veroorzaken, minder snel uit elkaar worden gerukt.

Doordat de laagjes koperoxide, de lichtblauwe laag, gingen trillen, werden ze dikker (en de isolerende laag ertussen dunner). Bron: MPG
Doordat de laagjes koperoxide, de lichtblauwe laag, gingen trillen, werden ze dikker (en de isolerende laag ertussen dunner). Bron: MPG

Miljoensten van seconden supergeleiding bij kamertemperatuur
In 2013 ontdekte een internationaal team onder leiding van Max Planck onderzoeker Andrea Cavalleri, dat wanneer YBCO wordt bestraald met infrarode laserpulsen, het materiaal gedurende zeer korte tijd supergeleidend wordt op kamertemperatuur. Pas nu is het mechanisme achter deze ontdekkign opogehelderd met behulp van de krachtige Amerikaanse röntgenlaser LCLS. Eerst werden bepaalde atomen binnen YBCO in een hogere energietoestand gebracht door de infraroodpuls. Vervolgens mat een röntgenpuls hoe de precieze kristalstructuur van YBCO was veranderd door de infraroodpuls.

Het resultaat: niet alleen had de infraroodpuls de atomen aangeslagen, maar had ook hun positie in het kristal verschoven. Dit maakte de dubbele koperdioxidelaag dikker (met 2 picometer, een honderdste diameter van een koperatoom); de laag tussen de koperdioxidelagen werd juist dunner met dezelfde afstand.
Kwantumtunneling is extreem gevoelig voor afstandsveranderingen. Zelfs deze kleine dikteverandering van een half procent bleek genoeg om de kwantumkoppeling tussen de koperdioxidelagen zo te versterken, dat het materiaal bij kamertemperatuur supergeleidend werd voor enkele picoseconden.

70037 Superconductor Meissner Effect DEMO V0353H

Het Meissnereffect

De gevolgen
Door deze ontdekking is er een belangrijk stuk van de puzzel die supergeleiding is, ontraadseld. Supergeleiding bij kamertemperatuur komt zo een stuk dichterbij.

Bron
1. A. Cavalleri et al, Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5, Nature, 4 December 2014; doi:10.1038/nature13875
2. Superconductivity room temperature, persmed. Max Planck Institut, 2014

Zodra zich een Bose-Einstein condensaat vormt: gedragen alle atomen zich als één deeltje met dezelfde snelheid: de pieken rechts. bron: Wikipedia

Gas wordt superfluïdum

2 reacties / Wetenschap / Door / 18 januari 2012

MIT-onderzoekers zijn er in geslaagd om gas te veranderen in een superfluïdum bij een temperatuur van miljardsten van een Kelvin (dus miljardsten graad Celsius boven het absolute nulpunt). Naar hieruit blijkt, is in principe supergeleiding tot ver boven kamertemperatuur mogelijk.

Wat is een supervloeistof?
Toen de Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes begin twintigste eeuw experimenten deed met het laatst bekende gas dat nog niet in een vloeistof was veranderd, helium, stuitte hij op enkele bizarre verschijnselen die nog nooit eerder bij een natuurkundig experiment waren aangetroffen. Helium, zo bleek, veranderde bij temperaturen onder de vier graden boven het absolute nulpunt (4 Kelvin, dus) in een vloeistof.

Als dit wordt afgekoeld tot onder de 2,174 Kelvin, verandert helium-I, de normale variant, in helium-II. Een supervloeistof. Niet zomaar een vloeistof, maar een uiterst bizar goedje dat in staat is door gaatjes zo groot als enkele atomen te sijpelen (ondenkbaar voor een normale vloeistof wegens de stromingsweerstand) en tegen de wanden van een bekerglas opkruipt. Ook ontstaat er een fontein als het spookachtige goedje wordt beschenen met bijvoorbeeld licht. Dit komt door de bijna oneindig goede warmtegeleiding. Ook is de viscositeit, de stroperigheid, nul. Vaart een schip op een oceaan van supervloeistof, dan zou het schip geen brandstof nodig hebben om de oceaan over te steken (gesteld uiteraard dat het schip snelheid heeft bij vertrek). 

De reden voor al deze bizarre verschijnselen is kwantummechanica. Kwantummechanica kent de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Hoe zekerder de energie van een deeltje (zoals een atoom), hoe onzekerder de plaats: de waarschijnlijkheidsgolf (De Broglie materiegolf) van het atoom wordt steeds breder. Als je atomen afkoelt tot vlak bij het absolute nulpunt, gaan ze elkaar daarom overlappen. Ze verliezen hun identiteit en veranderen als het ware één deeltje: een Bose-Einstein condensaat.

Zodra zich een Bose-Einstein condensaat vormt: gedragen alle atomen zich als één deeltje met dezelfde snelheid: de pieken rechts. bron: Wikipedia
Zodra zich een Bose-Einstein condensaat vormt: gedragen alle atomen zich als één deeltje met dezelfde snelheid: de pieken rechts. bron: Wikipedia

Gas verandert in superfluïdum
Het is ook mogelijk (maar zeer lastig) om sommige andere stoffen in superfluïdums te veranderen. Een fluïdum is de natuurkundige verzamelterm voor alles wat kan stromen, zoals gas, vloeistof en plasma’s. Een superfluïdum is een fluïdum dat de al eerder genoemde eigenschappen zoals wrijvingsloos stromen vertoont en een Bose-Einstein condensaat is. Het recept: de stoffen in kwestie moeten tot honderdmiljardste van een Kelvin afgekoeld worden. Dit kan met magneetkoeling: onderzoekers laten alle snel bewegende moleculen ontsnappen, waardoor alleen de allertraagste (dus allerkoudste), die niet aan het magneetveld kunnen ontsnappen, overblijven.

Het team van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) kreeg dit voor elkaar met lithiumdamp, bestaande uit deeltjes met een oneven aantal elektronen en kerndeeltjes.

Bosonen en fermionen
Bij de overgang van een gas naar een superfluïdum vormen deze lithiumatomen paren. Fermionen, deeltjes met een niet-gehele spin (wat het geval is voor deze lithiumisotoop met een oneven aantal elektronen) kunnen namelijk niet in één ruimte bivakkeren. Dat kan wel met bosonen (deeltjes met een gehele spin). Twee fermionen kunnen een paar vormen, waarna dit paar zich gedraagt als een boson en een superfluïdum kan vormen.

En inderdaad, helium-4 atomen bestaan uit twee elektronen, twee protonen en twee neutronen,een even aantal dus en zijn hiermee bosonen. Helium-3 (met maar één neutron) is door het oneven aantal kerndeeltjes een fermion en kan alleen een supervloeistof vormen bij veel lagere temperatuur (honderdste Kelvin), omdat alleen bij deze extreem lage temperatuur de bosonische paren, die uiteraard veel zwaarder zijn dan losse deeltjes, de andere bosonische paren gaan overlappen.

Supergeleiding bij kamertemperatuur
Elektronen hebben een spin van 1/2 en zijn dus ook fermionen. Om elektronen supergeleidend te maken, zodat ze weerstandsloos stromen, moeten ze ook (Cooper-)paren vormen. Elektronen zijn veel lichter dan atomen, daardoor is hun waarschijnlijkheidsgolf veel verspreider en hoeven ze niet zo langzaam te bewegen als atomen en moleculen om toch een superfluïdum te kunnen vormen. De reden dat het record van supergeleiding bijna tweehonderd Kelvin is, al aardig in de buurt van het vriespunt van water (273,15 K).

Uit dit experiment blijkt dat in theorie bij temperaturen ver boven het vriespunt nog supergeleiding mogelijk is. Dit zou werkelijk fantastische mogelijkheden opleveren. Denk aan maglevtreinen die alleen de luchtweerstand hoeven te overwinnen, magneet-ijshockey waarbij de spelers boven de baan zweven en dergelijke. Ook zou dit een enorme energiebesparing opleveren, want er gaat geen warmte meer verloren in bijvoorbeeld elektromotoren.

Bronnen
Martin W Zwierlein et al., Revealing the Superfluid Lambda Transition in the Universal Thermodynamics of a Unitary Fermi Gas, Science (2012)

Het Meissner-effect. De supergeleider stoot een permanente magneet (boven) af zodat deze blijft zweven.

‘Supergeleiding op bijna kamertemperatuur bereikt’

2 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 8 september 2011

Supergeleiding op kamertemperatuur zou de elektriciteitsrekening drastisch terugbrengen. Het zou zo ook mogelijk worden bepaalde dingen te bereiken die nu onvoorstelbaar zijn. Het is al een tijdje stil op het gebied van supergeleiding, maar onderzoekers Kresin en Wolf beweren nu supergeleiding op diepvriezertemperatuur bereikt te hebben. In een heel klein gebiedje, maar toch.

Het Meissner-effect. De supergeleider stoot een permanente magneet (boven) af zodat deze blijft zweven.
Het Meissner-effect. De supergeleider stoot een permanente magneet (boven) af zodat deze blijft zweven.

Hoe test je op supergeleiding?
Er zijn drie manieren om ondubbelzinnig supergeleiding aan te tonen. Ten eerste: het materiaal moet een weerstand van nul hebben. Ten tweede: het materiaal moet het zogeheten Meissner effect tonen: een extern magnetisch veld moet worden geweerd door het materiaal. Dit heeft als gevolg dat een permanent magneetje boven een supergeleidend materiaal blijft zweven. Ten derde moeten beide effecten op dezelfde kritische temperatuur voorkomen.

In de meeste supergeleidende materialen vallen deze twee punten ook samen. Bij precies dezelfde temperatuur treedt het Meissner effect op en daalt de weerstand tot nul.

Bizar gedrag van koperverbindingen
In het eerste decennium van deze eeuw hebben natuurkundigen enkele cupraten, keramische koperverbindingen, ontdekt, waarbij de overgang naar een weerstand van nul bij lagere temperaturen plaatsvindt dan waar het Meissner effect zichtbaar wordt.

Op lage temperaturen ‘werkt’ het cupraat als een normale supergeleider. Als de temperaturen stijgen stijgt eerst de weerstand tot boven nul, voor het Meissner effect verdwijnt. Vervolgens verdwijnt ook het Meissner effect en wordt het materiaal een ‘normale’ geleider. Dit verschil in temperatuur kan enorm zijn. Underdoped yttrium barium copper oxide (YBCO) krijgt weerstand op 85 kelvin (graden Celsius boven het absolute nulpunt; 0 graden C is 273,15 K), terwijl het Meissner effect pas verdwijnt bij 200 kelvin, dat is een drie keer zo hoge temperatuur.

Supergeleidende eilandjes bestaan nog bij extreem hoge temperatuur
Hoe kan dit bizarre effect optreden? Vladimir Kresin van het Lawrence Berkeley National Laboratory en Stuart Wolf van de Universiteit van Virginia hebben een theorie. Ze denken dat de cupraten uit twee soorten microkristallen bestaan met verschillende overgangstemperaturen. De component met de hogere overgangstemperatuur vormt eilandjes in de component met de lagere overgangstemperatuur. Onder de 85 kelvin zijn beide materialen supergeleidend. Boven de 85 K blokkeert de niet meer supergeleidende ‘zee’ de supergeleidende eilandjes. Die supergeleidende eilandjes duwen echter nog steeds het magneetveld weg, waardoor nog steeds het Meissner effect optreedt.

Supergeleiding in je diepvries
Interessant is dat deze eilandjes (als Kresins theorie klopt) nog bij zo hoge temperaturen supergeleidend blijven: 200 kelvin tot misschien zelfs 250 kelvin. Dat laatste is de temperatuur in een huis- tuin- en keukenvrieskist of een extreem strenge winternacht in Nederland. Er zijn dus geen dure cryogene hoogstandjes nodig om die temperatuur te bereiken. Kortom: die eilandjes zouden wel eens de doorbraak op kunnen leveren waar we al tijden op hopen. Maar waar bestaan de eilandjes uit? Immers, het materiaal -lijkt- op het eerste gezicht homogeen. Kresin en Wolf zeggen dit niet te weten maar wel een vermoeden te hebben; zwaardere en lichtere atoomkernen: isotopen, die heel subtiel de materiaaleigenschappen veranderen. Uit onderzoek is al bekend dat supergeleiders hier inderdaad extreem gevoelig voor zijn: volgens het duo zorgde het vervangen van zuurstof-16 door de zwaardere zuurstofisotoop O-18 voor een ‘dramatische verhoging’ van de tweede overgangstemperatuur. De ‘eilandjes’ werden door de zwaardere zuurstof dus bij een hogere temperatuur supergeleidend. De hamvraag is natuurlijk of hun theorie werkelijk klopt en of het mogelijk is het materiaal in de eilandjes te isoleren.

Onder hun collega’s heerst nog de nodige scepsis. Niet geheel onterecht. Kresin beweerde jaren geleden dat hij bij 200 kelvin aluminium nanoclusters had aangetroffen die supergeleiding vertoonden. Niemand kon zijn uitkomsten reproduceren. Beide heren willen verder onderzoek doen. Tot die tijd is hun vondst wat onderzoekers spottend USO’s noemen: unidentified superconducting objects.

Bronnen:
V. Kresin en S. Wolf, Inhomogeneous Superconducting State and Intrinsic Tc : Near Room Temperature Superconductivity in the Cuprates, arxiv.org (2011)

Met supergeleidend vacuüm zou je in principe enorme hoeveelheden energie uit de ruimte naar de aarde kunnen transporteren.

Supermagneet verandert vacuüm in supergeleider

2 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 16 april 2011

Volgens een bizarre, maar kwantummechanisch correcte theorie hoeven we helemaal niet zoveel moeite te doen om een materiaal te vinden dat op hoge temperatuur supergeleidend is. Met een extreem sterk magnetisch veld bereiken we hetzelfde effect, stelt Maxim Chernudub.

Hoe werkt het principe?
Het vacuüm is niet zo leeg als tussen het verdwijnen van de ethertheorie tot de komst van de kwantummechanica werd gedacht.  Wat op het eerste gezicht leeg lijkt, is in werkelijkheid gevuld met een ‘zee’  van virtuele spookdeeltjes die een fractie van een seconde bestaan en dan uiteenvallen. De effecten hiervan zijn al meer dan een halve eeuw geleden beschreven door de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir.
Zodra een sterk veld in een vacuüm ontstaat, wordt er energie toegevoerd en zullen bepaalde virtuele deeltjes reëel worden. Elektrisch geladen virtuele deeltjes hebben een magnetisch spinmoment waardoor ze zich volgens de veldlijnen zullen polariseren. Deze deeltjes vormen een condensaat – ze gedragen zich als één geheel. Dat wat gebeurt in een supervloeistof of supergeleider.

Tot nu toe werden de berekeningen uitgevoerd waarbij rekening werd gehouden met W-bosonen. W-bosonen, de vectordeeltjes van de zwakke kernkracht, zijn extreem zwaar – honderd keer zo zwaar als het proton – en kunnen alleen in zeer zware deeltjesversnellers worden geproduceerd. Met andere woorden: een magneetveld creëren om een condensaat van W-bosonen uit het Niets te trekken is theoretisch vrijwel onmogelijk. Chernodub is bij zijn nieuwe berekeningen echter uitgegaan van rho-mesonen. Deze exotische deeltjes bestaan uit twee quarks: een upquark en een anti-downquark en zijn ongeveer 80% zo zwaar als een proton of neutron.

Met supergeleidend vacuüm zou je in principe enorme hoeveelheden energie uit de ruimte naar de aarde kunnen transporteren.
Met supergeleidend vacuüm zou je in principe enorme hoeveelheden energie uit de ruimte naar de aarde kunnen transporteren.

Hoe sterk moet het magnetisch veld hiervoor zijn?
Extreem sterk, althans zo mag je 1016 tesla noemen. Tesla is de SI-eenheid voor magnetische veldsterkte. Om een intuïtieve indruk te krijgen: het aardmagnetisch veld is enkele tientallen microtesla. De allersterkste permanente magneten halen met pijn en moeite aan hun oppervlak 1,2 tesla. Met vijftien tesla kan je een kikker laten zweven – een experiment waarmee de latere Nobelprijswinnaar Andre Geim de IgNobel prijs won. De monsterlijke grote supergeleidende elektromagneten die worden gebruikt in deeltjesversnellers en tokamaks halen maximaal 22 tesla. Het record (voor korte duur) staat op 100 tesla.
Russische onderzoekers haalden met een explosie voor zeer korte tijd 2800 tesla. De sterkste magneetvelden die we kennen in het universum zijn die rond de allersterkste magnetars, magnetische pulsars: 1011 tesla.

Dat dus maal honderdduizend. Hier zitten we dus nog een factor tien biljoen vanaf.  Gelukkig maar aan een kant, want zulke magnetische velden slaan zelfs atoomkernen in gruzelementen.
Volgens sommige theoretici heersten deze omstandigheden vlak na de Big Bang. Klopt dat, dan zouden de sporen zichtbaar moeten zijn in de achtergrondstraling en in de verdeling van materie in het heelal.

Wat zou je met supergeleidend vacuüm kunnen doen?
Een door zijn collega Kharzeev voorgestelde toepassing is het toevoeren van enorme hoeveelheden zonne-energie naar de aarde via deze gewichtsloze supergeleider. De hoeveelheid zonne-energie die op aarde neerkomt is weliswaar enorm, maar slechts een minuscule fractie van wat de zon uitzendt. Het verschil tussen een Kardashev-I en een Kardashev-II beschaving. Wel zou je dan verbijsterend grote hoeveelheden afvalwarmte moeten dumpen in de ruimte om op het op aarde leefbaar te houden.  Vermoedelijk is dit systeem alleen interessant voor Kardashev-II of Kardashev-III beschavingen om de energie van complete sterren of zwarte gaten lichtjaren ver weg te sturen voor een of ander wormgat of doomsday wapen. Ook moet men niet vergeten dat er behoorlijk wat energie in het vacuüm wordt gepompt op deze manier. En wie goed heeft opgelet tijdens de natuurkundeles: energie en massa zijn equivalent, dus die gewichtloosheid valt tegen…

Bron
New Scientist

Driehonderd maal zuiniger processor

Laat een reactie achter / Wereld, Wetenschap / Door / 24 maart 2011

Onderzoekers van Northrop Grumman Systems in Baltimore onthulden een supergeleidende chip van niobium die driehonderd keer zuiniger is dan de bestaande silicium processors. Eindelijk een einde aan het explosief groeiende stroomverbruik van datacentra? En wat zijn de gevolgen voor privacy?

Supergeleiders: superzuinig
In een supergeleider daalt de weerstand tot nul. Een eigenschap waar elektronica-ontwerpers erg blij mee zijn, want dit scheelt zowel veel energie als afvalwarmte. Een vervelende eigenschap van supergeleiders is dat ze sterk gekoeld moeten worden. Toch blijken de kosten voor koeling meer dan op te wegen tegen de enorme stroombesparing.

Wat houdt de chip precies in?

Josephson junctions worden onder meer gebruikt in SQUIDs, extreem gevoelige afstandsmeters waarmee extreem zwakke magneetvelden gemeten kunnen worden.
Josephson junctions worden onder meer gebruikt in SQUIDs, extreem gevoelige afstandsmeters waarmee extreem zwakke magneetvelden gemeten kunnen worden.

De processor heeft een kloksnelheid van 6 Ghz, vergelijkbaar met de huidige generatie personal computers en bestaat uit zestienhonderd Josephson junctions, de supergeleidende equivalenten van een transistor. De processor bestaat uit het metaal niobium en moet gekoeld worden tot 4,2 kelvin – het kookpunt van helium dat vrijwel alleen door middel van helium te bereiken is. Niet echt geschikt voor huishoudelijk gebruik dus, maar in een enorm datacentrum, waar de meeste stroomvreters staan, is dat een minder groot probleem – ware het niet dat helium steeds schaarser wordt. Alleen al in de VS consumeerden al in 2007 de datacentra 12 gigawatt vermogen: de helft van wat centrales in Nederland per jaar aan stroom opwekken en datacentra groeien explosief.
De chip is uit te breiden tot een miljoen Josephson schakelingen zonder dat de performance achteruitgaat. De foutmarge is extreem laag: ongeveer 1 op de 1040 bitbewerkingen hapert. Dat is minder dan een molecuul water vergeleken met de inhoud van een middelgroot meer.

Privacy alert
Getuige Wikileaks had  de Amerikaanse diplomatieke dienst een opmerkelijke belangstelling voor niobium. Nu is verklaard waarom: vermoedelijk heeft Northrop-Grumman ze al van tevoren getipt.  Het bedrijf Northrop-Grumman is een onlosmakelijk deel van het militair-industriële complex dat bij het Pentagon hoort. Datacentra beheersen het grootste deel van het internetverkeer. De verleiding zal daarom ongetwijfeld extreem groot zijn voor dit bedrijf om chips te leveren aan grote datacentra over de hele wereld met een backdoor voor de Amerikaanse geheime dienst. Prettig voor de Amerikanen is ook dat ze een ijzeren greep hebben op de wereldheliumvoorraad.

Rekencapaciteit is absoluut essentieel voor het onderscheppen en analyseren van dataverkeer. Internettappen is, zoals bekend van onder meer Echelon, een geliefde activiteit van overheden, onder andere de Nederlandse, Europese en Amerikaanse. Vermoedelijk zullen dus de Amerikaanse geheime diensten CIA en de NSA, alsmede mogelijk buitenlandse overheden zoals die in Brussel, grote klanten worden van Northrop-Grumman.

Bronnen
Arxiv Blog
ArXiv

In sommige SMES-systemen worden de spoelen in een ring geplaatst.

Energieopslag in een supergeleider

3 reacties / Wereld, Wetenschap / Door / 20 maart 2011

Duurzame energie, bijvoorbeeld wind en zon, is er genoeg. Het probleem is dat de aanvoer van energie heel ongelijkmatig is. Dit wordt op dit moment opgevangen met gascentrales. Supergeleiders slaan de energie in een magneetveld op. DE oplossing voor onze energie-opslagproblemen?

Wat zijn supergeleiders?
Supergeleiders, ontdekt door de Leidse natuurkundige Kamerlingh Onnes in 1911, zijn materialen die onder een bepaalde kritische temperatuur al hun weerstand voor elektrische stroom verliezen. In theorie kan een stroom in een supergeleidende ring dus letterlijk oneindig lang, tot het einde van het heelal in de huidige vorm, blijven doorcirkelen.Een andere bekende eigenschap is het Meissner-effect: supergeleiders drukken alle magneetvelden binnen de supergeleider weg. Een magneet blijft boven een supergeleider zweven. Immers elke verandering in magneetveld wekt een elektrische stroom op die de verandering tegenwerkt; door die nooit stoppende stroom, ontstaat er een tegen-magneetveld dat door nieuwe interacties (technisch gesproken kan een magnetisch veld geen arbeid  verrichten) zorgt voor de afstoting.

Alle bekende supergeleiders moeten hiervoor extreem worden gekoeld: het temperatuurrecord staat op bijna 130 kelvin, dat is 140 graden onder nul, voor hoge-temperatuur supergeleiders. Helaas kan er door deze groep materialen maar weinig stroom vloeien: voor echt hoge stroomsterktes, zoals nodig zijn voor energieopslag, moeten technici uitwijken naar conventionele supergeleidende materialen zoals niobium of kwik die pas ruim onder de twintig kelvin, het kookpunt van waterstof, supergeleidend worden (de uitzondering: magnesiumboride met 39 K, de vraag is alleen of dit wel een conventionele supergeleider is). De vervelende consequentie is dat schaars en duur vloeibaar helium nodig is om lage-temperatuur supergeleiders tot onder de twintig kelvin te koelen, hoewel er alternatieve methoden zijn, denk aan magneetkoeling. Uiteraard wordt er voortdurend gezocht naar supergeleiders die minder te lijden hebben van deze beperkingen. Inderdaad zijn er nu enkele bulk-hoge temperatuur supergeleiders bekend.

Wat veroorzaakt supergeleiding?
Onderzoekers denken dat elektronen zogeheten Cooperparen vormen die weerstandsloos door het metaal kunnen vloeien (de BCS-theorie). Boven de kritische temperatuur worden deze paren uiteengeslagen door warmtetrillingen. Enige twijfels aan deze theorie rezen toen Müller en Berdnoz een materiaal ontdekten dat boven de maximale kritische temperatuur van de BCS-theorie supergeleiding toonde en er steeds meer hoge-temperatuur supergeleiders werden ontdekt. De theorie is sindsdien aangepast.

Misschien is het beter de tegenovergestelde vraag te stellen: wat veroorzaakt weerstand in een materiaal? Dit zijn de ongelijkmatigheden in de invloeden die elektronen ondervinden als ze door het atoomrooster zwerven en waarop ze botsen. Al weten we nu meer dan Kamerlingh Onnes, precies honderd jaar na de ontdekking is supergeleiding nog steeds een raadsel.

SMES: energie opslaan in een magneetveld
Een ijzeren wet is: waar stroom loopt, ontstaat een magneetveld. Minder bekend is dat er energie opgeslagen kan worden in een magneetveld.

In sommige SMES-systemen worden de spoelen in een ring geplaatst.
In sommige SMES-systemen worden de spoelen in een ring geplaatst.

Elke keer als een zware elektromotor aan- of uit wordt geschakeld, ontstaat daarom een enorme vonk. Dit is de magnetische energie die vrij komt. Door een zeer sterke stroom op te wekken en die door te laten lopen, ontstaat een permanent magneetveld dat energie opslaat. Als de stroom vermindert, dumpt het magneetveld de energie weer voor een deel terug in de stroom. Dit is het principe van de SMES: de supergeleidende magnetische energieopslag. In een supergeleider zijn de verliezen nul, dus dit systeem is verreweg de efficiëntste accu die we hebben: in de praktijk (er zijn verliezen door de overige onderdelen en door radiostraling) kan 95% van alle ingaande energie er weer uit worden gehaald. Een SMES ziet er uit als een enorme platte spoel.

Hoeveel energie kan een SMES opslaan?
Drie factoren bepalen hoeveel energie de SMES opslaat: de stroomsterkte (kwadratisch, zelfs; een verdrievoudiging van de stroomsterkte betekent negen keer zoveel energie), het aantal windingen van de draad (ook een kwadratisch effect) en de oppervlakte van de spoel. Om een idee te geven: een SMES, bestaande uit één vierkante meter spoel met duizend wikkelingen waar één ampère stroom doorheen gaat, slaat ongeveer zestig joule op (je bewegingsenergie als je wandelt).

Helaas kan de stroomsterkte niet ongestraft extreem worden opgevoerd. Per supergeleidend materiaal is er een maximale stroomsterkte en maximale magneetveld-sterkte die het materiaal aankan zonder de supergeleidende eigenschappen te verliezen. Om een miljoen kilowattuur in een spoel op te slaan moet de spoel ongeveer honderdzestig kilometer omtrek hebben. Mede gezien de enorm sterke magnetische velden die een SMES genereert, wat minder geschikt voor dichtbevolkt gebied, maar in woestijngebieden of diep onder de grond of zeebodem zou dit goed kunnen. Helaas zijn de materialen waaruit het supergeleidende materiaal van de SMES wordt vervaardigd nogal schaars en duur, maar wordt een goedkope bulk-supergeleider ontdekt die boven het kookpunt van waterstof nog blijft werken, dan is dit probleem opgelost.