Supergeleiding is een cool onderdeel van de natuurkunde dat in veel factoren van ons leven wordt gebruikt. Als wetenschappers een supergeleider bij kamertemperatuur en druk zouden kunnen ontdekken, zou dat een revolutie teweegbrengen in de technologie. Helaas is dit een zeer moeilijke taak gebleken en is het misschien helemaal niet mogelijk.
Wat is supergeleiding?
Een elektrische geleider is een materiaal dat elektriciteit kan geleiden. Elk materiaal heeft zijn eigen elektrische weerstand die een maat is voor zijn weerstand tegen de stroom van een elektrische stroom. Een materiaal met een hoge weerstand is een slechte geleider en vice versa.
Supergeleiding is een natuurkundig fenomeen waarbij een materiaal geen elektrische weerstand heeft. In deze staat zijn er een aantal interessante en nuttige effecten. Een supergeleider zonder weerstand betekent dat er een elektrische stroom doorheen kan worden geleid zonder ooit energie te verliezen of op te warmen. Dit kan een perfect efficiënte energietransmissie en -opslag mogelijk maken.
Supergeleiders kunnen ook uitzonderlijk krachtige magneten creëren, voorbeelden hiervan zijn te vinden in MRI-machines en in deeltjesversnellers. Experimenten hebben aangetoond dat elektrische stromen in deze magneten jarenlang kunnen voortduren zonder enige meetbare afname in sterkte. Onderzoek suggereert dat de stroom minstens 100.000 jaar stabiel zou zijn, met sommige schattingen voorspellen dat de stroom langer zou kunnen aanhouden dan de geschatte levensduur van de universum.
Wanneer supergeleiders over een magneet worden geplaatst, vormen ze een gelijk magnetisch veld dat de magneet afstoot. Hierdoor kunnen supergeleiders perfect boven of onder een magneet of zelfs langs een spoor van magneten zweven.
Vereisten voor supergeleiding
Pas onder een bepaalde temperatuur begint een materiaal supergeleidend te worden, waarbij de elektrische weerstand plotseling tot nul daalt. Helaas worden alle bekende supergeleiders pas supergeleidend bij extreem lage temperaturen. Een "hoge temperatuur" supergeleider wordt gedefinieerd als een materiaal dat zich gedraagt als een supergeleider boven de temperatuur van vloeibare stikstof (73K of -200°C). De exacte temperatuur waarbij de elektrische weerstand van een materiaal tot nul daalt, wordt de "kritieke temperatuur" genoemd.
Tip: Vooral koude elementen van de natuurkunde worden over het algemeen gemeten in Kelvin (K). Eén Kelvin is gelijk aan één graad Celsius, maar de Kelvin-schaal begint bij het absolute nulpunt, oftewel -273,15 °C.
De hoogste temperatuur supergeleider ontdekt, vanaf 2020, is Hg12tl3Ba30Ca30Cu45O127 die een kritische temperatuur heeft van 138K of -135 °C bij één atmosfeer druk.
Temperatuur is niet de enige belangrijke factor bij supergeleiding, ook bij een aantal supergeleiders speelt druk een rol. Waterstofsulfide (H2S) heeft een kritische temperatuur van slechts 203K (-70°C), en lanthaandecahydride (LAH10) heeft een kritische temperatuur van 250K (-23°C). Helaas moeten deze materialen onder ongelooflijk hoge druk staan om supergeleidend te worden, met H2S heeft 986.923 atmosfeer nodig en LaH10 1.677.770 atmosfeer nodig.
Tip: Druk op deze schaal wordt over het algemeen gemeten in GPa of Giga-pascal, waarbij de getallen respectievelijk 100 GPa en 170 GPa zijn. Om deze waarde begrijpelijker te maken, is deze omgezet in sferen. Eén atmosfeer druk is de gemiddelde luchtdruk op zeeniveau op aarde. Ter vergelijking: de druk op het diepste punt van de oceanen van de aarde, de Challenger Deep in de Mariana-geul, is 1.071 atmosfeer op 10.994 meter onder zeeniveau.
Mogelijk toekomstig gebruik van supergeleiders bij kamertemperatuur
De term "supergeleider bij kamertemperatuur" wordt gebruikt om te verwijzen naar mogelijke toekomstige materialen die supergeleiding vertonen bij temperaturen boven 273K of 0°C. Om bijzonder nuttig te worden in de echte wereld, zouden deze materialen ook supergeleidend moeten zijn bij of nabij een druk van één atmosfeer.
Een supergeleider op kamertemperatuur zou helpen om de energieproblemen in de wereld te verminderen door de elektrische energie die verloren gaat tijdens langeafstandstransmissie over hoogspanningslijnen bijna te elimineren. Ze zouden ook snellere computers en geheugenopslagapparaten mogelijk maken, samen met gevoeligere wetenschappelijke sensoren. Het zou veel goedkoper worden om de supersterke magneten te gebruiken die worden gebruikt in apparaten zoals deeltjesversnellers, MRI-machines, prototypes kernfusiereactoren en maglev-treinen, aangezien de magneten geen vloeibare stikstof nodig zouden hebben om de supergeleider voldoende af te koelen om werk.