Najpierw AI, teraz rewolucja nadprzewodników. Szokujący 'Święty Graal’ fizyków z Korei. Przełom technologiczny?

Nowe badanie w dziedzinie nadprzewodników zatytułowane „The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”, może stanowić dla ludzkości – przemysłu i gospodarki potężny kamień milowy. Przez wielu porównywany z rewolucją sztucznej inteligencji. Byłoby to prawdopodobnie najgłośniejsze odkrycie w historii fizyki XXI wieku. Nadprzewodniki (ang. 'supercondcutors’) od dawna uznane są za prawdziwy Święty Graal fizyków. Wynalezienie materiału, który wykazywałby włąściwości nadprzewodnikowe w temperaturze pokojowej i standardowym ciśnieniu na granicy pewności wiąże się z Nagrodą Nobla.

Mimo to naukowcy apelują o ostrożność komentując wyniki najnowszego badania naukowców z Korei. To dlatego, iż przez ostatnie dekady wielokrotnie zgłaszano obiecujące projekty i wyniki badań nad nadprzewodnikami. Ostatecznie żadne nie przyniosło efektu w postaci możliwości zidentyfikowania adekwatności nadprzewodzących w standardowych warunkach. Rewolucja nadprzewodnikowa odblokowałaby rozwój w kluczowych dziedzinach jak transport, zdrowie czy energia ale również komunikacja czy przemysł kosmiczny. Co dokładnie zaprezentowali naukowcy z Korei? Czym jest enigmatycznie nazwany przez zespół LK-99? Czy tym razem mamy doczynienia z rewolucją?

Krok od przełomu?

W badaniu przeprowadzonym przez naukowców z Korei Południowej opisano materiał nadprzewodzący. Wykonano go ze specjalnie przygotowanej mieszanki miedzi i ołowiu. Zdaniem badaczy nie ma potrzeby stosowania wysokiego ciśnienia czy ekstremalnie niskich temperatur. Materiał LK-99 ma wykazywać adekwatności nadprzewodzące w standardowych, codziennych warunkach. Naukowcy z Oksfordu wskazali, iż chcieliby sprawdzić, czy inni fizycy w niezależnych laboratoriach będą mogli rejestrować podobne wyniki. Materiał wydaje się relatywnie łatwy w produkcji. Zatem nie powinno zająć fizykom zbyt wiele czasu aby dokładnie go przetestować. Być może szybciej niż niedługo usłyszymy, iż udało się (lub nie) powtórzyć odkrycia Koreańczyków. Powtórzenie wyników badania w innym laboratorium może zwiastować prawdziwą rewolucję. Produkcja syntetycznego materiału LK-99 mogłaby ruszyć pełną parą. Warto podkreślić jednak, iż praca do tej pory została opublikowana jako preprint na stronie arXiv i wciąż nie została fachowo zrecenzowana.

Nadprzewodniki to specjalny rodzaj materiałów, w których zanika opór elektryczny i które usuwają pola magnetyczne. Mają szerokie zastosowanie m.in. w produkcji supersilnych magnesów i zmniejszaniu ilości energii, która wytraca się w klasycznych obwodach elektrycznych. Dotychczasowe materiały są niepraktyczne. Wymagają niskich temperatur i wysokiego ciśnienia przez co nie nadają się do codziennego użytku, w tradycyjnych obwodach. Od początku XX wieku naukowcy pracują nie tylko nad zrozumieniem dobrodziejstw płynących z nadprzewodnictwa. Przede wszystkim głowią się nad opracowaniem materiałów, które pozwoliłyby na wykorzystanie niesamowitego zjawiska w temperaturach i ciśnieniach obecnych w środowisku Ziemi. Wspomniane badanie Koreańczyków sugeruje, iż problem został rozwiązany – znaleziono sposób na syntezę nadprzewodzącej struktury, którą można wyprodukować relatywnie niskim nakładem.

Cytując Kaplana ’Każdego roku w samych Stanach Zjednoczonych marnuje się 100 miliardów kWh energii elektrycznej. To tzw. straty przesyłowe. Odpowiednik 3 największych, amerykańskich reaktorów jądrowych pracujących 24/7. Nadprzewodnictwo umożliwia bezstratny przesył energii. Według autorów, materiał LK-99 można przygotować w około 34 godziny przy użyciu niezwykle podstawowego sprzętu. Wystarczy mieć w laboratorium moździerz i tłuczek, podstawową próżnię i piec.’ Wyniki zdaniem autorów są powtarzalne. Reaktory w ramach fuzji jądrowej wykorzystują nadprzewodniki by radzić sobie z plazmą. Mowa m.in. o naprzewodnikach RBCO/YBCO chłodzonych LN2 lub ciekłym helem. Ostatecznie utrudnia to pracę samego reaktora. Nadprzewodniki, które mogą działać w warunkach otoczenia umożliwią przełom w konstrukcji reaktorów.’

Koniec płonących akumulatorów EV?

Komputery kwantowe wykorzystują nadprzewodniki do zachowania spójności kubitów. Niewielkie zmiany temperatury i ciśnienia mogą spowodować awarię całego systemu podczas pracy. Komputer kwantowy w temperaturze pokojowej? Do niedawna niewyobrażalne, teraz może stać się to możliwe. Nadprzewodniki mogą być najbardziej efektywnymi bateriami. Wstrzyknąć prąd i utrzymać go w cewce, dopóki będzie potrzebny. Wcześniej zbyt kosztowne w utrzymaniu. Teraz wykonalne. Przegrzewanie się telefonów w czasie grania lub ładowania? choćby tu mogą pomóc nadprzewodniki. Super-wydajne półprzewodniki komputerowe będą miały okrągłe zero strat rezystancyjnych podczas pracy z nadprzewodnikami.

Wentylatory chłodzące nie będą potrzebne. Wydajność wzrośnie. Powszechne i tanie maszyny do rezonansu magnetycznego, czy unoszące się nad torami typu MagLev i super wydajna sieć elektryczna.Alex Kaplan z Uniwersytetu w Princeton nie kryje ekscytacji. Wskazał m.in. na rysunek 4 w badaniu, który w jego ocenie potwierdza wartość całego badania. W jego ocenie podobnych wyników nie można było znaleźć w poprzednich, które kończyły się fiaskiem. W standardowych warunkach materiały tracą energię, gdy przewodzą prąd (dla przykładu telefon komórkowy nagrzewa się podczas ładowania). Tymczasem nadprzewodnik nie traci energii. Przewodzą doskonale, bez oporu. Rozwiązałoby to także problem z płonącymi akumulatorami elektryczych samochodów.

Źródło: https://arxiv.org/abs/2307.12008

Co na temat badania sądzą naukowcy?

„Prawdziwy, działający nadprzewodnik w temperaturze pokojowej, który działa pod ciśnieniem otoczenia, byłby jednym ze świętych Graali współczesnej fizyki. Odblokowałby zupełnie nowe możliwości w dziedzinie energii, transportu, opieki zdrowotnej i komunikacji (…) W obecnej formie artykuł nie został jednak jeszcze zrecenzowany i nie został jeszcze przetestowany w innych laboratoriach, aby sprawdzić, czy inni badacze mogą powtórzyć jego wyniki. Oba te czynniki są najważniejsze dla ustalenia, czy świat powinien ekscytować się twierdzeniami autorów, które na tym wczesnym etapie wymagają znacznie dokładniejszej analizy. jeżeli twierdzenia o odkryciach zostaną zatwierdzone, być może będzie to jedno z najważniejszych osiągnięć ostatnich kilku dekad w fizyce i inżynierii materiałowej.” – przekazał Mohammad Yazdani-Asrami z James Watt School of Engineering na Uniwersytecie w Glasgow.

„Niedawne badanie 'preprint’ naukowców Lee, Kim i Kwon wskazujeż, iż zaobserwowali oninadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. Miało to miejsce w układzie fosforanu ołowiu z domieszką miedzi. Bez potrzeby stosowania bardzo wysokich ciśnień wynik jest interesujący, ale jeszcze nie w pełni przekonujący” – wskazali Susannah Speller i Chris Grovenor, profesorowie materiałoznawstwa na Uniwersytecie w Oksfordzie. Argumentowali też, iż gdyby LK-99 materiał był nadprzewodnikiem pracującym w temperaturze pokojowej, w danych można by spodziewać się pewnych dowodów. Jednym z nich mógłby być gwałtowny spadek rezystywności, zmiana magnetyzacji materiału (efekt Meissnera) i specyficzną pojemność cieplną. Podsumowali, iż „Żadna z tych cech nie jest widoczna w przedstawionych danych (…) „Jest zbyt wcześnie, aby powiedzieć, iż otrzymaliśmy przekonujące dowody na nadprzewodnictwo w tych próbkach”

„W społeczności pojawi się zrozumiały sceptycyzm co do tego wyniku, ponieważ na przestrzeni lat pojawiło się wiele doniesień o nadprzewodnikach w temperaturze pokojowej, które nie wytrzymały próby czasu (…) Dlatego osobiście wstrzymałbym się z oceną tej pracy, dopóki nie stanie się jasne, czy wynik można powtórzyć w innych laboratoriach (…) Może upłynąć sporo czasu, zanim zobaczymy praktyczne korzyści z przełomu, choćby jeżeli wyniki zespołu zostaną potwierdzone. Z mojego inżynierskiego punktu widzenia, praktyczny nadprzewodnik o temperaturze pokojowej byłby potencjalnie transformacyjny. Umożliwiłby wiele ekscytujących zastosowań, np. tanie maszyny MRI, kompaktowe i wydajne silniki oraz przenoszenie mocy bez strat przesyłowych. Jednocześnie przekształcenie nowo odkrytego materiału nadprzewodzącego w praktyczny materiał może wiązać się z poważnymi wyzwaniami. W poprzednich podobnych przypadkach trwało to choćby jedną lub dwie dekady i nie zawsze było możliwe.” – powiedział dziennikarzom portalu Independent John Durrell, prof. inżynierii nadprzewodników na University of Cambridge.

’ Lewitacja przedmiotu w badaniu może wynikać z innych zjawisk niż nadprzewodnictwo, wciąż brauje istotnych dowodów (…) Grafen, wysoce wytrzymały stop węgla, za który fizycy otrzymali Nagrodę Nobla w 2010 roku jest również diamagnetyczny [wykazujący energię ujemną jak nadprzewodnik] i może wytwarzać słabą lewitację.”- uważa dr. Sven Friedemann, profesor nadzwyczajny w University of Bristol School of Physics.

Abstrakcyjne przykłady

NASA, Toshiba i US Navy opracowyway już silniki, które są czterokrotnie lżejsze i zachowują moc. Ale to zaledwie przedsmak tego, co mogłaby przynieść nadprzewodnikowa rewolucja. Wydajne układy stałyby się powszechne. Bez kosztów chłodzenia. Niektóre komputery kwantowe wykorzystują nadprzewodzące chipy oparte na niobie. Wszędzie tam, gdzie ludzkość potrzebuje wydajniejszych i mocniejszych magnesów, nadprzewodnictwo miałoby ogromny wpływ. Dzięki nowej inżynierii to, co już ludzkość robi możę stać się tańsze, lżejsze i potężniejsze.

• Elektryczny napęd kosmiczny stałby się od dziesięć do stu razy mocniejszy dzięki dopasowanym nadprzewodnikom. w tej chwili 'słabe’ silniki elektryczne staną się potężne.
• Podróż na Marsa może zostać skrócona do 2 miesięcy. Powód? Nowy, wydajny napęd dla satelitów i misji planetarnych. Wszystko to dzięki 'superconductors’.
• Kilkadziesiąt lat temu ludzkość dokonała przełomu w segmencie nadprzewodników ceramicznych YCBO. Jednak te mogły działać wyłącznie przy chłodzeniu ciekłym azotem. Wykonane z nich druty były jednak kruche. To uniemożliwiło produkcję.
• Komputery kwantowe oparte na nadprzewodzących chipach nie wykorzystują jużYCBO. Zamiast tego wykorzystują krzem i nob. Chłodzą chipy do temperatury bliskiej absolutnemu zeru. jeżeli nowe materiały mogą zastąpić niob w nadprzewodzących chipach komputerowych i być skalowane, będzie to miało ogromne znaczenie także dla zwykłych komputerów.
• Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych, NASA i japońskie firmy pracują nad zwiększeniem mocy silników statków i samolotów. Prace te zostały opisane po projekcie komputera opartego na nadprzewodnikach.
• Absolutnym kluczem do nowych, rzeczywistych zastosowań jest to, by nowe materiały były łatwe w obróbce, tanie w produkcji i trwałe. Materiały musiałyby mieć wyższy stosunek mocy do masy.
• Oczywiście, mocne nadprzewodnikowe silniki trafiłyby tradycyjnie, w pierwszej kolejności do wojska. Oraz programów kosmicznych i lotniczych.
• Nadprzewodnikowe układy logiczne mogą być atrakcyjną opcją dla ultraszybkich procesorów. Czasy przełączania w nich mierzone są w pikosekundach. Częstotliwość pracy zbliża się do 770 GHz.

Nadprzewodniki a niob

Naukowcy próbowali przekształcić chipy w technologii niobu w ultraszybkie i hiperenergooszczędne superkomputery. Wspólnie z USC i innymi uniwersytetami sfinansowano projekt o wartości 15 milionów dolarów. Celem programu było zaprojektowanie i prototypowanie systemu kriogenicznych rdzeni obliczeniowych (SuperSoCC). Taki SuperSoCC zdaniem naukowców zapewni choćby 100xwyższą efektywność energetyczną. Co więcej, jednocześnie zapewnić ma wydajność porównywalną z najnowocześniejszymi wielordzeniowymi, najnowocześniejszymi (i ultra drogimi) układami obliczeniowymi opartymi na półprzewodnikach. Układ typu SuperSoCC mógłby zapewnić co najmniej 10x poprawę szybkości przetwarzania. Wszystko to przy niższym poziomie zużycia energii, porównywalnym do komplementarnych półprzewodników opartych na tlenkach metali (CMOS). Wzrost wydajności jest możliwy do osiągnięcia pomimo kosztów energetycznych związanych z wymaganym chłodzeniem kriogenicznym. Energia wymagana do obsługi wszystkich chmur obliczeniowych na świecie stanowi około 5% całkowitej energii zużywanej na naszej planecie. Nadprzewodniki mogłyby to zmienić.

Naukowcy nie próżnują

W ostatnim czasie pracował nad nadprzewodnikami także zespół naukowców z Rochester (Uniwersytet Południowej Kalifornii). Chciał stworzyć zintegrowany system, który zawiera nadprzewodzącą jednostkę centralną (CPU), akcelerator sieci neuronowej i maszynę Isinga. Centralnym elementem tego systemu są układy scalone oparte na nadprzewodzących złączach Josephsona, które działałyby w temperaturze -321 stopni Fahrenheita (4K). Złącza Josephsona kumulują wartości logiczne 0 i 1 poprzez tworzenie lub usuwanie trwałych napieć w pętlach nadprzewodzących. Grupa użyła jednak innego od Koreańczykó materiału, (nanocząsteczek srebra, w przeciwieństwie do ołowiu i miedzi w Korei). Grupa połączyła materiały w specjalną grupę układów logicznych tzw. 'single flux quantum’ (SFQ).

Pętle wykazywały zerową rezystancję, obwody nie tracą energii w przeciwieństwie do układów półprzewodnikowych. Profesor Friedman dowodził zespołem i intensywnie pracował nad rozwojem metodologii projektowania SFQ. Twierdził, iż koszty utrzymania chipów w temperaturach kriogenicznych są kompensowane przez wzrost wydajności obliczeniowej i zwiększoną efektywność zużycia energii. Niestety słuch na temat ciągu dalszego powyższych badań zaginął, wszystko przykrył czas. Prawdopodobnie pojawiły się problemy. Nic dziwnego, iż naukowcy podchodzą z rezerwą do każdego odkrycia wieszczącego 'Święty Graal’ fizyki. Możemy sobie tylko wyobrazić co byłoby, gdyby chłodzenie pomieszczeń do temperatur kriogenicznych nie byłoby konieczne. To właśnie zwiastuje domniemany przełom w Korei.

Mocne silniki

Zespół ds. obwodów i architektury, który będzie opierał się na ostatnich postępach w technologii SFQ – w tym pracach finansowanych przez wiele projektów IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity) w jego własnym laboratorium – w celu zwiększenia ilości pamięci, którą można przechowywać i zwiększenia liczby złączy Josephsona na każdym układzie scalonym. Mniejsze i mocniejsze silniki, naddźwiękowe elektryczne samoloty pasażerskie i podwojenie prędkości okrętów marynarki wojennej. To włąśnie mocniejsze magnesy nadprzewodzące mogą sprawić, iż turbiny gazowe będą mniejsze i mocniejsze, a silniki elektryczne mniejsze i mocniejsze. Zostało to już pretestowane z wieloma nadprzewodzącymi drutami/taśmami typu YCBO. Korzyści przewyższały problemy z chłodzeniem. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych posiada silniki elektryczne o czterokrotnie mniejszej masie (75 ton, a nie 300 ton), które generują taką samą moc (36 MW). Nadprzewodzące silniki elektryczne mogą zwiększyć przekazywanie mocy do 99% z 90% w przypadku silników nieprzewodzących.

Sieć energetyczna i kolej

Pociąg w technologii nadprzewodnikowej Maglev. Źródło: Tsangu Japan

Nadprzewodzące elektromagnesy mogą generować pole magnetyczne ponad 200 000 razy większe niż pole magnetyczne Ziemi. Elektromagnesy wykorzystują prąd o natężeniu 11 080 Amperów do wytworzenia pola magnesu o natężeniu 8 tesli. Cewka nadprzewodząca umożliwia przepływ prądu bez utraty energii. Prosty przykład to nadprzewodnikowy pociąg Maglev Yamanashi w Japonii. To szokujące ale lewituje on 10 centymetrów nad prowadnicą. Porusza się z prędkością do 600 km/h. Samochody elektryczne jak Tesla Model 3, wykorzystują w silnikach magnesy trwałe. Lżejszy i mocniejszy magnes nadprzewodzący obniżyłby wagę i sprawił, iż silniki elektryczne byłyby bardziej wydajne i potężnie mocne. Odkryta w 1986 roku ceramika nadprzewodząca ma prowadzić do rewolucji technologicznej. Wciąż jest przedmiotem intensywnych badań na całym świecie. Nadprzewodniki tracą swój opór elektryczny po schłodzeniu poniżej pewnej temperatury progowej. Materiały nadprzewodzące pozwoliły na dokonanie ważnych postępów technologicznych. Na przykład w technologii MRI pola magnetyczne wytwarzane przez nadprzewodniki pomaga tworzyć bardzo szczegółowe obrazy wnętrza ciała.

Zatem na tą chwilę głównym problemem jest, iż materiały stają się nadprzewodnikami dopiero, gdy zostaną schłodzone do ekstremalnie niskich temperatur i jeżeli znajdują się w środowisku o bardzo wysokim poziomie ciśnienia. W normalnych warunkach jest to kosztowne i kłopotliwe. Energia zużywana do chłodzenia nadprzewodnika może czasami przewyższać wydajność uzyskaną dzięki jego zastosowaniu. Mając to na uwadzę możemy wyobrazić sobie jak wielkim przełom może zwiastować potwierdzenie eksperymentu z Korei. Możemy mieć ultra-wydajne sieci energetyczne, oszczędzając ogromne ilości energii. Tańsze obrazowanie medyczne. Więcej superszybkich pociągów „maglev” o niemal zerowym współczynniku tarcia czy superszybkie komputery kwantowe. Znalezienie takiego Świętego Graala zwykle zwiastuje poważne kontrowersje. Dla przykładu naukowe czasopismo Physical Review Letters planuje wycofać artykuł naukowca, którego treść na temat nadprzewodników w temperaturze pokojowej została wycofana z czasopisma Nature w 2021 roku. W przypadku Nature kluczowa analiza została uznana za poważnie wadliwą. Naukowcy są jeszcze bardziej ostrożni, gdy widzą twierdzenia o nadprzewodnikach o temperaturze pokojowej. Według nowego badania zatytułowanego „The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”, znajdujemy się bliżej przełomu niż kiedykolwiek wcześniej.

Źródła:

https://arxiv.org/abs/2307.12008

https://www.nextbigfuture.com/2023/07/where-will-practical-room-temperature-superconductors-matter.html

https://www.independent.co.uk/tech/superconductor-breakthrough-new-electricity-power-paper-b2382401.html

https://www.msn.com/en-us/news/technology/mit-discovery-suggests-a-new-class-of-superconductors/ar-AA1cV5rZ

https://inews.co.uk/news/science/room-temperature-superconductors-latest-breakthrough-nonsense-2506774