All uppståndelse på grund av tre små ord som länge har varit någon sorts helig graal för fysikerna: supraledning vid rumstemperatur.
Källan till uppståndelsen är ett sydkoreanskt forskarteam som helt nyligen publicerade en studie där de hävdar att de har lyckats med det här som länge har tett sig som en omöjlig dröm – men som, ifall det lyckas – mer eller mindre vänder upp och ned på allting elrelaterat och öppnar dörren för all världens lösningar till mer eller mindre alla våra energiproblem.
Jag tar de hittills nästan otänkbara orden i min mun än en gång och smakar lite på dem. Supraledning vid rumstemperatur. Smakar som ett väldigt dyrt vin. Men vad är det? Vad är supraledning, till att börja med? Och varför är det så otroligt häftigt? Vad kan jag få ut ur det, hur kan det ändra mitt liv?
Men – sist men inte minst, pudelns kärna: HAR de här sydkoreanerna faktiskt lyckats med att uppnå det här som så många har gått och drömt om alla dessa år, hittills förgäves? Det här är temat för avsnittet som inleder Kvanthopps höstsäsong 2023. Välkommen med!
1911: En upptäckt värd ett Nobelpris
När det är riktigt kallt ute tenderar de flesta av oss att bli lite tröga i vändningarna. Åtminstone jag. Elektronerna däremot, de små bärarna av elektricitet, är en annan femma. På dem blir det rejäl sprutt när temperaturen sjunker tillräckligt lågt.
Och det beror på materialet de rör sig igenom. När man kyler ned vissa sorters material under en viss kritisk temperatur börjar materialet plötsligt uppvisa helt nya, besynnerliga fysiska egenskaper. Och då snackar vi alltså om temperaturer som inte ligger mycket över den absoluta nollpunkten, som alltså är –273,15 grader Celsius
En av de här konstiga egenskaperna kallas alltså supraledning, vilket bland annat gör att elström kan passera genom materialet utan något som helst elektriskt motstånd. Med andra ord, resistansen försvinner totalt.
En av de första som råkade ut för det här besynnerliga fenomenet var den nederländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes. Året var 1911. Onnes hade jobbat på en speciell teknik för att kyla ned materia till riktigt låga temperaturer. Den här dagen var det en kvicksilvertråd som han kylde ned till 4,2 grader över den absoluta nollpunkten. –269 grader Celsius alltså.
Då hände någonting som Onnes inte hade väntat sig: när han mätte trådens elektriska resistans, upptäckte han till sin förvåning att resistansen hade fallit till noll. Elektronerna kunde halka fram genom tråden utan något som helst motstånd. Kvicksilvrets elektriska ledningsförmåga hade som av ett trollslag blivit oändligt stor.
Onnes, som förstod sig på det här med marknadsföring, insåg att han behövde en klatschig term för att beskriva det hela. Så han myntade omgående begreppet supraledning. Det här för att bättre kunna sälja in sin upptäckt hos det övriga vetenskapssamfundet. Och sensationen lät inte vänta på sig: 1913 kunde Heike Kamerlingh Onnes titulera sig som Nobelpristagare i fysik.
Lystring, elkonsumenter!
Och hej, det var han väl värd! Vem uppskattar inte minskat motstånd. Resistans är ett gissel för oss alla som på något vis är beroende av elström, för det går ju så att säga en massa energi till kråkorna när en stor del av all surt förvärvad el försvinner i form av värme på vägen från kraftverket till oss.
Tänk då hur galet mycket ström vi skulle spara om vi kunde tillverka alla elkablar av supraledande material som strömmen glatt kunde svischa igenom utan något som helst motstånd. Tänk hur mycket snabbare och effektivare våra datorer skulle bli om datorns kretsar skulle göras supraledande. Datorn skulle ju inte heller alls behöva kylas ned då, så den kunde göras mycket kompaktare, alltså mindre.
Vi ska alldeles strax titta närmare på några andra praktiska supraledar-tillämpningar som de facto existerar redan nu i någon form, och som också du och jag säkert har haft nytta av i ett eller annat skede. Nån som jag, som har tillbringat mer tid än jag hade önskat på sjukhus i ett skede av mitt liv, kan till och med säga att supraledningen säkert bidrog till att rädda mitt liv.
Men problemet med att åstadkomma det här fascinerande fenomenet är som sagt, eller har åtminstone hittills varit, att man måste kyla ned de eventuella kablar och kretsar som man vill göra supraledande, till nära den absoluta nollpunkten. Och bara det kräver i sig stora mängder energi. Så det är inte alltid värt besväret.
Det finns i dagens läge två huvudkategorier av supraledare: konventionella supraledare, de som kräver de riktigt låga temperaturerna. Då snackar vi till exempel om bly, kvicksilver och tenn.
”Högtemperatur”-supraledare
Men numera har vi också högtemperatursupraledare som utnyttjar diverse exotiska legeringar, i stil med yttrium-barium-kopparoxid (YBCO) eller vismut-strontium-kalcium-kopparoxid (BSSCO).
Problemet med högtemperatursupraledarna är att vi inte riktigt har någon heltäckande vetenskaplig teori om supraledning som också skulle täcka dem. Den så kallade BCS-teorin som gav sina upphovsmän, Bardeen, Cooper och Schrieffer Nobelpriset i fysik 1972, täcker de kalla supraledarna hyfsat väl, men när det kommer till högtemperatursupraledare, upp till 130 Kelvin, är BCS-teorin liksom lite ute och cyklar.
I och för sig – högtemperatur och högtemperatur… allt är relativt. Jag menar, vi talar trots allt om temperaturer på omkring -160 grader Celsius. Men det är ändå praktiskt, för de kan då i bästa fall hållas supraledande med hjälp av flytande kväve vars kokpunkt är -196,15 grader Celsius. Så låt oss säga så kallade högtemperatursupraledare.
Och det handlar i vilket fall som helst om komplexa föreningar som involverar komplicerade och dyra metoder för tillverkning och kylning. Tänk då vilken otrolig heureka-upptäckt det skulle vara om man lyckades ta fram ett material som är supraledande vid rumstemperatur. Helt på sistone har ett sydkoreanskt forskarteam alltså hävdat att de har gjort exakt det. Vi ska syna deras påstående i sömmarna om en liten stund.
Men först: what's in it for me? Vilka tillämpningar för supraledning existerar redan nu, och vilka områden skulle ha mest att vinna på supraledning i rumstemperatur?
Magnetkameran behöver supraledning
Det område där säkert de flesta av oss drar nytta av supraledning, är, som jag redan var inne på, sjukvården. Magnetisk resonanstomografi (MRI eller MRT), det där som vi ofta felaktigt kallar magnetröntgen.
De så kallade magnetkamerorna utnyttjar uttryckligen supraledande magneter för att generera starka och stabila magnetfält. Det här för att kunna leverera detaljerade och högupplösta avbildningar av våra kroppars komplexa interna strukturer.
Tumregeln är att ju starkare och mer enhetliga magnetfält, desto bättre bildkvalitet och snabbare avläsningstider. Vem vill nu tillbringa mer tid inuti de där magnetkamerornas trånga rör än absolut nödvändigt… Och supraledande magneter ger som sagt mycket starkare magnetfält än konventionella magneter.
Det gör de genom att man kyler ned dem med flytande helium. En MRI-apparat kräver cirka 2 000 liter flytande helium för att hålla magneterna nedkylda tillräckligt för att bli supraledande, och heliumtankarna måste fyllas på med jämna mellanrum.
Och här är kruxet: helium är ett av jordens mest sällsynta grundämnen. Man skulle kanske inte tro det, så glatt som vi slösar med det genom att fylla partyballonger med helium.
Helium produceras naturligt genom det radioaktiva sönderfallet av uran eller torium som finns i jordskorpan. Men den här processen är otroligt långsam, vilket innebär att jordens heliumtillgångar i praktiken är icke-förnybara och väldigt ändliga.
Heliumkriser hotar världens laboratorier
Det har talats mycket om att vi förr eller senare kommer att få uppleva en större heliumkris, något som världen påmindes om i början av 2022 då underhållsstopp vid heliumanläggningar i USA och Qatar, och bränder i en ny rysk anläggning, fick priset på helium att skjuta i höjden.
Vissa akademiska forskningslaboratorier och kärnforskningsanläggningar som behöver helium för att kyla sina MRI-maskiner, fick till och med stänga ned temporärt.
Också det här exemplet belyser det faktum att det finns ett verkligt och skriande behov av en MRI-teknik som inte bygger på superkalla supraledande magneter. Om vi vill kunna magnetröntga oss vid behov.
Men det är inte bara människokroppens inre som utforskas med supraledande magneter. Även själva materiens innersta hemligheter blir belysta med hjälp av den här tekniken.
Då talar jag om partikelacceleratorer. Supraledande material är superviktiga komponenter i partikelacceleratorer som Large Hadron Collider (LHC) vid CERN. De enorma supraledande magneterna som kantar den 27 kilometer stora acceleratorringen används för att styra och fokusera partikelstrålarna.
Det här för att man ska lyckas få till stånd partikelkollisioner med tillräckligt hög energi. Utan de enormt starka supraledande magneterna, också de nedkylda med flytande helium, skulle de framrusande protonerna inte hållas på sin bana, utan slira ut som en Formel 1-bil med slitna däck i en hårnålskurva.
Jag kan slå vad om att också CERN har material som är supraledande i rumstemperatur väldigt högt uppe på sin julklappslista.
De svävande tågen
Och sedan har vi såklart transportsektorn, som också skulle ha massvis att hämta här. Friktion är ju en av alla rörliga tings främsta fiender. Ofantliga mängder energi går åt till att övervinna friktionen som skapas då hjul rör sig över fasta ytor.
Därför skulle ett världsomspännande nätverk av så kallade maglevtåg vara mer än välkommet. Maglev kommer från engelskans magnetic levitation, alltså magnetiskt svävande. Och som namnet säger så svävar maglev-tåget alltså på kuddar av kraftfulla magnetfält, strax ovanför spåret.
Det här gör att man avsevärt kan minska på energiförbrukningen och öka på farten. Ja, och det blir ju inget buller och inga vibrationer heller när det inte finns några slamrande hjul eller gnisslande axlar.
Problemet är bara att tekniken än så länge är väldigt komplicerad och dyr, inte minst på grund av de supraledande magneterna som kräver nedkylning för att åstadkomma det magnetfält som håller tåget svävande.
Därför finns det än så länge väldigt få kommersiella maglev-tågförbindelser i världen, inalles sex olika linjer. En ligger i Japan, två i Sydkorea och tre i Kina.
Men vi kan inte tala om supraledning utan att nämna den riktigt stora grejen som skulle ha mest att vinna på ett material som leder ström utan motstånd i rumstemperatur. Nämligen kraftproduktionen och elnätet.
En tiondel av elen går till kråkorna
Supraledande kraftkablar kan överföra elektricitet med minimal energiförlust, vilket är en otrolig fördel särskilt över långa distanser. Våra nuvarande kraftnät förlorar årligen upp till en tiondel av all överförd el i form av värme, på grund av kablarnas motstånd. Det här leder indirekt till koldioxidutsläpp på en halv miljard ton, mer än vad alla lastbilar och långtradare i världen släpper ut.
Supraledande kablar har en mycket större strömtäthet jämfört med traditionella koppar- eller aluminiumkablar. En enda 17 centimeter tjock supraledande kabel kan i teorin förmedla hela elproduktionen från flera kärnkraftverk.
Allt det här betyder ett mycket mindre behov av transformatorstationer. Det förbättrar också nätets stabilitet. Ett praktiskt exempel på det här återfinns i Essen i Tyskland. 2014 installerade man en supraledande kabel på 10 kilovolt (kV) i Essens stadskärna. Även om kabeln bara var en kilometer lång innebar den att man kunde eliminera behovet av en transformatorstation i ett område med mycket begränsat utrymme för infrastruktur.
Essens supraledande citykabel är diskret och kompakt och löper obemärkt 70 centimeter under gatunivå, genom servicetunnel som är en meter tjock.
Så varför är inte alla världens elkablar supraledande? Ni gissar säkert redan att det handlar om pengar. Som sagt, det är dyrt att kyla ned kablarna till de superlåga temperaturer som krävs för att få elektronerna att halka fram utan motstånd.
Svindyra kablar
De så kallade högtemperatursupraledarna som har utvecklats på sistone, där ”bara” -160 till -200 grader krävs, har i vissa tillämpningar gjort det lite billigare. Att kunna använda flytande kväve för kylning istället för helium är en klar fördel. 70% av luften omkring oss är ju kväve.
Men också då skulle det kräva en massiv ansträngning och hiskeligt med energi för att konvertera världens elnät till supraledande kablar. Det är inte bara kylningen: själva de supraledarna materialen är svindyra jämfört med konventionella strömkablar av koppar. Tillverkningsprocessen är dessutom ganska komplex och långsam.
Ja, och högtemperatursupraledare (HTS) är keramiska material, vilket betyder att de har samma mekaniska egenskaper som en kaffekopp. Hur gör man en kabel med ett sådant material? Det finns sätt att göra det, men tills vidare har det inte varit värt besväret.
Tittar vi längre fram så är de eventuellt kommande fusionsreaktorerna, de små solarna på jorden som utlovar en potentiellt obegränsad och ren energikälla, också beroende av supraledning. Supraledande magneter, då. Det tiotals miljoner grader heta plasmat, som krävs för att skapa och uppehålla kärnfusionen, upprätthålls med starka magnetfält. Och för det krävs alltså supraledande magneter.
Var det någonting jag missade? Jo, just det: supraledande kvantdatorer. Kvantdatorernas kvantbitar utnyttjar det kvantmekaniska beteendet hos supraledning för att lösa komplexa problem mycket mer effektivt än klassiska datorer. Så också där skulle ett material som är supraledande i rumstemperatur vara en skänk från ovan.
Till saken: Sommarens stora nyhet
När vi vet allt det här kan vi förstå att det har rått en viss otålig spänning kring den nyhet som släpptes tidigare i somras, om de sydkoreanska forskarna som påstår sig ha utvecklat ett material, kallat LK99, som de facto är supraledande vid rumstemperatur.
I sin studie, som inte ännu har referentgranskats, hävdar sydkoreanerna att när mineralet blyapatit dopas med koppar, blir det supraledande vid normalt lufttryck och inte bara rumstemperatur, utan temperaturer på uppemot 400 K, vilket är högre än kokpunkten för vatten.
De vet tydligen inte mycket om supraledning och sättet som de har presenterat en del av sin data på är skumt
Michael Norman
Och då är frågan: ligger det någonting i det här? Har de sydkoreanska forskarna på riktigt hittat fysikens heliga graal? Något som vissa entusiaster redan har hunnit fira som ”den största upptäckten inom fysiken i vår livstid”.
Tja, det finns väl ingen orsak att gå som katten kring het gröt, det här avsnittet av Kvanthopp är hur som helst på slutrakan. Så låt oss bara säga som det antagligen är: nej. Det finns sannolikt ingen orsak att jubla ännu.
Många experter är åtminstone djupt skeptiska. Forskarna bakom rapporten framstår som riktiga amatörer, säger Michael Norman, en teoretisk fysiker vid Argonne National Laboratory i USA, till Science Magazine.
- De vet tydligen inte mycket om supraledning och sättet som de har presenterat en del av sin data på är skumt.
”Spelet verkar vara över”
I ett tweet från fysikdepartementet vid University of Maryland konstateras det å sin sida följande: ”Dessvärre verkar spelet vara över. LK99 är INTE en supraledare, inte ens vid rumstemperatur (eller vid mycket låga temperaturer). Det är ett mycket högresistivt material av dålig kvalitet. Punkt.”
Men det här har inte hindrat många forskare i flera laboratorier att ta lyra på sydkoreanernas rön och försöka återskapa deras resultat i oberoende experiment. Och, tja – baserat på det dussin eller så, rapporter som har dykt upp så ser det ju inte bra ut. Majoriteten av experimenten har inte lyckats med att reproducera resultatet, medan andra har gett blygsamt stöd.
Det sydkoreanska forskarteamet har själva åtminstone inte i skrivande stund kommenterat det hela desto mer.
Grejen här, som jag var inne på tidigare och som Science Magazine påpekar i en färsk artikel, är att ingen hittills har formulerat någon gångbar vetenskaplig teori om högtemperatur-supraledning. Inte heller de sydkoreanska forskarna. Så det finns, när det kommer till kritan, inget sätt att säga säkert att materialet som de har tagit fram inte kan vara en supraledare.
Det kan vara att de bara har haft tur och snubblat på någonting som senare kan visa sig leda till någonting stort. Vi får väl se. Hoppas kan man ju alltid. Världen skulle behöva supraledning i rumstemperatur om vi ska lösa klimatkrisen och många andra stora utmaningar, det är en sak som är säker.