En inledning
Supraledare är elektriska ledare som (precis som namnet antyder) leder elektricitet väldigt bra. Detta beror på att de har en struktur som ger dem väldigt liten resistens. I och med detta utvecklas i princip knappt nån värme av "friktionen" i sladden, och man förlorar ingen energi. En annan egenskap är att de avger ett kraftigt magnetfält. Det är lätt att se att fördelarna med sådana ledare är många, men fungerar de verkligen eller är de bara en vetenskaplig kuriositet? Och om man känner till sådana ledare, varför används de då inte i vardagen? Detta är några frågor jag skall försöka besvara, och jag börjar där allt ursprungligen började: i början.
År 1911 upptäckte den holländske fysikern Heike Kamerlingh-Onnes att om man kyler kvicksilver till en temperatur under 4.2 Kelvin (-268.8° C) så uppkommer ingen elektrisk resistens då man sänder en ström genom kvicksilvret.
År 1933 upptäckte tyskarna Karl W. Meissner och R. Ochsenfeld att om ett ämne utsätts för magnetfält av en viss storleksordning kan det förlora sina supraledande egenskaper.
År 1957 framlade de amerikanska fysikerna John Bardeen, Leon N. Cooper och John R. Schrieffer den sk. BCS-teorin vilken bygger på kvantfysiken, i vilken de förklarar fenomenet med supraledare. För denna teori fick de 1972 års Nobelpris i fysik.
År 1962 ställde britten Brian D. Jossephson upp en teori som sade att det mellan två supraledare på litet avstånd från varandra och med ett isolerande lager emellan (en sk. tunnelbarriär) gick en ström, och i denna uppkom svängningar om de befann sig i ett elektrisk eller magnetisk fält. Detta bevisades sedan stämma och kom att kallas Josephson-effekten. 1973 fick han halva Nobelpriset i fysik för sin upptäckt.
År 1986 kom så det slutliga genombrottet. J. George Bednorz och K. Alex Müller vid IBM Zürich Research Laboratory lyckades åstadkomma supraledning vid en temperatur av ca. 30K (-243,15° C) i ett keramiskt material, och inom ett år hade andra forskare lyckats hitta liknande material där man kunde ha en temperatur på uppemot 100 K innan resistens uppkom. Redan ett år senare (1987) fick Bednorz och Müller Nobelpriset i fysik. Rekordet ligger nu på ca. 140 K.
Nedan en tabell med supralednings-temperaturer för några ämnen:
|
Ämne: |
Aluminium |
Tenn |
Kvicksilver |
Bly |
(Y0,6Ba0,4)2CuO4 |
Tallium-barium-kalcium-koppar-oxid |
|
Temperatur K |
1,2 |
3,7 |
4,2 |
7,2 |
94 K |
125 |
|
Temperatur °C |
-271,95 |
-269,45 |
-268,95 |
-265,95 |
-179,15 |
-148,15 |
Nu hoppas jag att ni har fått veta lite supraledarnas historia. Men när kan vi praktiskt använda en ledning som måste kylas till 140 K (-133° C)? Och när vi kommer till kritan, blir det inte billigare och enklare att använda vanliga ledningar? Jag skall ta upp några väsentliga fördelar med supraledarna idag och som de är tänkta att bli i framtiden.
Supraledarnas främsta fördel är just deras avsaknad av resistens och kraftiga "anti-magnetfält", nedan följer några exempel på tillämpningar:
Nackdelarna är att supraledare än så länge måste ha en relativ låg temperatur vilket begränsar användningsområdet kraftigt, att de är svåra att tillverka i större kvantitet och att de fortfarande är väldigt känsliga för magnetfält. Dessutom består de ofta av legeringar vilka innehåller ämnen som är sällsynta, svåra att få tag på och dyra. Allt detta gör att det fortfarande oftast lönar sig med konventionell teknik, men de som forskar inom området verkar optimistiska och hoppas på ett snart genombrott.
Forskning och Framsteg
Här skall jag presentera två företag/institutioner som sysslar med forskning och produktion av supraledare och deras åsikter/bedrifter. Det ena är det svenska företaget Nutek, och det andra en samling amerikanska projekt, däribland U.S. Department of Energy och Energetics Incorporated.
Nutek
Nutek anser att Sverige har en "relativt framskjuten position inom det framtidsinriktade forsknings- och utvecklingsområdet som rör supraledande material".
De startade sina satsningar 1988, strax efter Bednorz och Müllers upptäckt av de keramiska supraledarna, och inledde flera samarbetsprojekt med bl.a. industrin. Så småningom vidgades samarbetet till ett gemensamt nordiskt forskningsprogram. Målet har hela tiden varit att ta fram högtemperatursupraledare, optimera materialegenskaperna och höja prestandan hos elektronikapplikationer.
För att kunna bedriva sådan forskning måste man ha en mycket flexibel organisation, där de olika projektledarna samarbetar intensivt med varandra och andra forskare. Ledningsgruppen har dessutom samarbetat med utländska experter och deltagit i flera europeiska projekt.
På Nutek anser man sig ha uppnått goda resultat, bl.a. en av världens första RSFQ-kretsar (rapid single flux quantum), och hoppas att det snart skall vara möjligt att göra rumstemperatursupraledare.
The United States Department of Energy’s Superconductivity Partnership Initiative
U.S. Department of Energy (DOE) började intressera sig för supraledare samma år och av samma anledning som Nutek. Sedan starten har man satsat på att utveckla applikationer och ledningar för supraledare.
1993 startade man SPI (Superconductivity Partnership Initiative) och redan från början lät man folk från alla delar av industrin samarbeta med forskarna, så att fräscha idéer direkt kunde genomföras praktiskt och prövas. Just detta är en viktig anledning till DOE/SPI blivit så framgångsrikt.
Till framgångarna räknar man bl.a. en 1 meter lång ledning genom vilken det flöt en ström på 600 ampere, och anser sig ha kommit långt på vägen mot att göra supraledare allmänt tillgängliga. Om utvecklingen fortsätter i samma takt som hittills tror man att början på nästa århundrade kommer att innebära att stora delar av industrin börjar intressera sig för supraledare.
Encarta 96 Encyklopedia