Czy udało się w końcu odkryć nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej?

Gdy prąd płynie przez przewodnik, napotyka opór, a część napięcia zamienia się w ciepło. Na co dzień możemy zauważyć to, gdy nagrzewają się ładowarka i bateria w telefonie podczas ładowania. Dzięki temu świecą też stare żarówki z żarnikami.

To zjawisko zachodzi zawsze i w każdym przewodniku. Na przykład przy przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości straty energii wynoszą od 30 nawet do 40 procent. Czy można tego uniknąć?

Nadprzewodniki, czyli prąd bez strat

Teoretycznie można. Nadprzewodnik to materiał, w którym prąd płynie bez żadnego oporu. Raz wzbudzony będzie w przewodzie płynął zawsze.

Nadprzewodnikami, co odkryto w początkach dwudziestego wieku, są niektóre metale – ale w niezwykle niskich temperaturach.

Na przykład rtęć staje się nadprzewodnikiem w temperaturze 4 kelwinów (prawie 270 stopni Celsjusza poniżej zera), ołów w temperaturze 7 kelwinów (-266 stopni Celsjusza). W latach czterdziestych ubiegłego wieku odkryto, że azotek niobu staje się nadprzewodnikiem w wyższej temperaturze, 16 kelwinów (to nadal -257 stopni Celsjusza).

Bardzo to niepraktyczne, bowiem oznacza to konieczność chłodzenia ciekłym helem, który jest dość drogi. Ten gaz stanowi tylko 0,0005 procent objętości wszystkich gazów w atmosferze. Towarzyszy czasem złożom gazu ziemnego, ale i tam stanowi niewielką ich część, bo kilka procent.

Nadprzewodniki “wysokotemperaturowe” (czyli nadal cholernie zimno)

W latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku odkryto tlenki baru i miedzi, które nadprzewodzą w temperaturze 30 kelwinów (-243 stopnie Celsjusza). Dodanie lantanu podniosło tę temperaturę do 35 kelwinów (-238 stopni Celsjusza). Za te odkrycia dwaj niemieccy chemicy, Johannes Bednorz i Karl Müller, otrzymali w 1987 roku nagrodę Nobla.

Przełom przyszedł niedługo potem. Okazało się, że w tlenku barowo-lantanowo-miedziowym wystarczy zamienić lantan na itr, by materiał nadprzewodził w temperaturze powyżej 90 kelwinów (-183 stopnie Celsjusza). To temperatura, którą można uzyskać, chłodząc materiał ciekłym azotem, którego jest pod dostatkiem (stanowi 78 procent atmosfery), a przez to jest dużo tańszy.

Takie związki nazwano w skrócie (od pierwszych liter symboli pierwiastków) YBCO (Yttrium, Barrium, Cuprum, Oxigen). Gdy itr zastąpi się rtęcią lub talem, mogą nadprzewodzić w jeszcze wyższych temperaturach.

Rekordzista (HgBaCaCuO, czyli tlenek miedziowo-wapniowo-barowo-rtęciowy) jest nadprzewodnikiem w 150 kelwinach – ale to nadal 123 stopnie Celsjusza poniżej zera.

Mimo tego, że można je chłodzić dużo tańszym ciekłym azotem, są to materiały nadal niepraktyczne. Są związkami krystalicznymi, które uzyskuje się w formie proszków. Można z takich proszków spiekać lite materiały, ale to skomplikowane i drogie.

A i tak takim spiekom daleko jest do kowalności i ciągliwości metali, z których można zrobić długi i giętki przewód.

Niemniej ceramiczne, spiekane nadprzewodniki z rodziny YBCO znajdują niszowe zastosowania.

Temperatura rośnie. Ciśnienie również

YBCO pozwoliły przesunąć temperaturę nadprzewodzenia z kilku-kilkunastu kelwinów do niemal stu. W laboratoriach naukowców trwały jednak prace nad poszukiwaniem materiałów, które będą nadprzewodnikami w jeszcze wyższych temperaturach.

Czasem były to zaskakujące odkrycia. Okazało się na przykład, że nadprzewodnikiem w temperaturze prawie dwustu kelwinów (około 70 stopni poniżej zera w skali Celsjusza) jest dwutlenek siarki. To gaz odpowiedzialny za zapach zgniłych jaj. Tyle że staje się nadprzewodnikiem dopiero pod ciśnieniem 155 gigapaskali (GPa).

To ciśnienie setki tysięcy razy wyższe niż normalne. Fizycy otrzymują tak wysokie ciśnienie tylko w specjalnych diamentowych kowadłach, w których ściskają niewielkie próbki substancji.

Pod podobnym olbrzymim ciśnieniem nadprzewodnikami są także wodorek lantanu (250 kelwinów, czyli -23 stopnie Celsjusza) czy wodorosiarczki węgla (w zaledwie kilkunastu stopniach poniżej zera).

Takie materiały można by chłodzić wodą z lodem (i solą), ale cóż, ciśnienie setki tysięcy razy wyższe od atmosferycznego jest równie niepraktyczne do utrzymania, co chłodzenie drogim helem…

Niemniej można powiedzieć, że w dziedzinie poszukiwań nadprzewodników wysokotemperaturowych rosły temperatury i ciśnienie – również w przenośni.

Co zmieni nadprzewodnik w temperaturze pokojowej?

Nie jest to bicie rekordów (nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego) dla samego sportu. Odkrycie nadprzewodnika w temperaturze pokojowej lub niewiele niższej bez żadnej przesady zmieniłoby współczesną technologię.

Elektronika przestałaby się nagrzewać, układy scalone mogłyby być mniejsze, serwerownie przestałyby wymagać kosztownego chłodzenia. Sprawniejsze byłyby silniki elektryczne, a samochody z takim napędem byłyby dużo lżejsze.

Prąd z elektrowni można by przesyłać bez najmniejszych strat, na przykład z elektrowni słonecznych na Saharze nawet do Skandynawii. A skoro raz wzbudzony prąd płynie w nadprzewodniku już zawsze, można by niezwykle łatwo przechowywać energię (teoretycznie bez jakichkolwiek strat, w praktyce z niewielkimi rzędu kilka procent).

Brzmi jak science-fiction? Nadprzewodnikowe „magazyny” energii, zwane SMES (od „superconducting magnetic energy storage) już istnieją. Jednak koszty ich chłodzenia ciekłym helem są horrendalnie wysokie.

Na świecie jest ich zaledwie kilka, służą do stabilizacji napięcia (eliminacji jego wahań), głównie w fabrykach mikrochipów na takie wahania niezwykle czułych.

Koreańska sensacja, czyli mamy go

W ubiegłym tygodniu wybuchła prawdziwa sensacja. Zespół koreańskich fizyków opublikował tak zwany preprint pracy naukowej, w której donosili o odkryciu nadprzewodnika działającego w temperaturze pokojowej i wyższej (nawet do 120 stopni Celsjusza!) oraz przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym.

Sensacją jest również to, że jest to związek o niezbyt skomplikowanej strukturze. To krystaliczny (o strukturze apatytu) fosforan ołowiu, w którym niewielką część atomów tego metalu zastąpiono miedzią.

Dość słusznie odkrycie to spotkało się z dużą rezerwą. Preprint to naukowa praca jeszcze przed recenzją specjalistów z danej dziedziny – muszą oni przejrzeć dokładnie opis doświadczenia i zebrane przez eksperymentatorów dane i stwierdzić, czy nie ma gdzieś błędów.

Koreańczycy jednak, prócz opisu eksperymentu i danych, opublikowali także film. Jedną z charakterystycznych cech nadprzewodników jest to, że całkowicie wypychają pole magnetyczne. Dzięki temu efektowi (zwanemu efektem Meissnera) nadprzewodnik może unosić się nad magnesem (w nieskończoność).

Co do zasady wszystko może unosić się nad magnesem, jeśli pole magnetyczne jest odpowiednio silne (w ten sposób wprawiano w stan lewitacji nawet żaby).

Jednak zwykły przewodnik będzie się ustawiał wtedy niczym igła kompasu, wzdłuż linii pola magnetycznego. Nadprzewodnik, zupełnie na te linie pola obojętny, będzie dość bezwładnie zmieniał położenie.

Tak właśnie robiła próbka LK-99 na opublikowanym przez badaczy filmie. Ale… niestety nie odrywała się do końca od magnesu.

Koreańczycy twierdzą, że to wina zanieczyszczeń w produkcji nadprzewodzącego związku. Sugerują też, że odkryty przez nich materiał może być nadprzewodnikiem tylko do pewnego progu napięcia (a powyżej niego staje się zwykłym przewodnikiem). Jedno i drugie nie jest wykluczone.

Teoretycznie LK-99 jest nadprzewodnikiem

Preprint koreańskiej pracy został już zrecenzowany i oczekuje na publikację w naukowym czasopiśmie. W laboratoriach całego świata zaczął się wyścig. Komu uda się powtórzyć wyczyn zespołu koreańskich naukowców i wyprodukować nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej?

[Koreańczycy podali w swojej publikacji przepis. Mieszaninę równych części lanarkitu Pb2(S04)O i fosforku miedzi Cu3P należy umieścić w próżniowym piecu kwarcowym i wypiekać w temperaturze 925 stopni, co powinno wytworzyć spiek nadprzewodzącego Pb9Cu (PO4)6O.]

Na razie wygląda na to, że udało się chińskim naukowcom. Donoszą, że otrzymali podobne wyniki, jak Koreańczycy. Ale nie jest to nawet preprint (czyli opis doświadczenia), na dowód opublikowano tylko sam film z lewitującą próbką wielkości drobiny kurzu.

Wideo to za mało

Minie jeszcze zapewne kilka dni (może tygodni), zanim innym naukowcom uda się te wyczyny powtórzyć. I, co ważniejsze, dokładnie zmierzyć właściwości LK-99, bo samo unoszenie się nad magnesem to za mało.

Na razie odkryciu przyjrzeli się teoretycy. Istnieje teoria (pasmowa teoria przewodnictwa), która dobrze przewiduje elektryczne właściwości materiałów, czyli to, czy materiał o danym składzie i strukturze będzie izolatorem, półprzewodnikiem, przewodnikiem, czy właśnie nadprzewodnikiem.

Gdy fizycy-teoretycy przyjrzeli się strukturze krystalicznej opracowanego przez Koreańczyków związku, okazało się, że wszystko się zgadza. (Sami Koreańczycy donosili o tym już w kwietniu w pracy opublikowanej w “Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology”).

Teraz przynajmniej trzy niezależne zespoły wyliczają, że LK-99 (jako apatyt ołowiowy domieszkowany miedzią) teoretycznie ma taką strukturę pasm przewodzenia, która sprzyja nadprzewodnictwu.

Może być więc nadprzewodnikiem – twierdzą zespoły z Lawrence Berkeley National Laboratory, z Uniwersytetu Kolorado w Boulder oraz wspólny zespół amerykańskiego Northwest University i wiedeńskiego Instytutu Fizyki Ciała Stałego (choć na razie to również preprinty, a nie zrecenzowane prace).

Prąd wzdłuż (jednej) osi?

Chemik Derek Lowe na swoim blogu, prowadzonym na stronach tygodnika Science”, zauważa, że LK-99 może być dość dziwnym nadprzewodnikiem. Będzie przewodził prąd tylko wzdłuż jednej osi sieci krystalicznej. To wróży pewne kłopoty w produkcji – kryształy muszą ułożyć się idealnie pod linijkę, inaczej nici z nadprzewodnictwa.

Tak czy inaczej, z LK-99 może uda się wytwarzać nadprzewodzącą elektronikę. To oznacza i oszczędność energii, dalszą miniaturyzację oraz wiele wynalazków, których jeszcze nie potrafimy sobie wyobrazić.

Jednak przewodu, który bez strat przesłałby prąd z elektrowni na drugi koniec kraju, z tego ceramicznego materiału raczej nie będzie. Również z tego samego powodu, który trapi inne YBCO – kryształy i ich spieki są po prostu kruche, a nie kowalne i ciągliwe.

Czy to sukces? Dowiemy się zapewne lada dzień

Jak mawiał astronom i popularyzator nauki Carl Sagan, „niezwykłe twierdzenia wymagają niezwykłych dowodów”. Na razie dowodów jeszcze nie ma.

Są teoretyczne wyliczenia i lewitujące niewielkie próbki. Nikt poza Koreańczykami (i Chińczykami) nie otrzymał większej próbki tego materiału ani porządnie nie zbadał jego właściwości elektromagnetycznych.

Jednak solidne dowody powinny pojawić się dość szybko, gdy inne laboratoria na świecie zaczną publikować wyniki badań swoich próbek. Czy mamy nadprzewodnik w temperaturze pokojowej, który zmieni świat, dowiemy się zapewne jeszcze przed końcem tego roku.

Patent na produkcję takiego nadprzewodnika niewymagającego chłodzenia będzie przecież chciał mieć każdy liczący się technologicznie kraj. Koreańczycy wystąpili o patent na LK-99 już we wrześniu 2022 roku.

W środę (2 sierpnia) sprawą odkrycia postanowiło zająć się Koreańskie Stowarzyszenie Nadprzewodnictwa i Kriogeniki zrzeszające naukowców z kilku uczelni.

Stwierdzili, że dane z dotychczas opublikowanych badań nie wskazują na właściwości materiału nadprzewodzącego. „Nie jest wykluczone, że ruch próbki pokazany w opublikowanym materiale może być odtworzony przez materiały, które nie są nadprzewodzące”, dodali eksperci.

Cykl „SOBOTA PRAWDĘ CI POWIE” to propozycja OKO.press na pierwszy dzień weekendu. Znajdziecie tu fact-checkingi (z OKO-wym fałszometrem) zarówno z polityki polskiej, jak i ze świata, bo nie tylko u nas politycy i polityczki kłamią, kręcą, konfabulują. Cofniemy się też w przeszłość, bo kłamstwo towarzyszyło całym dziejom. Rozbrajamy mity i popularne złudzenia krążące po sieci i ludzkich umysłach. I piszemy o błędach poznawczych, które sprawiają, że jesteśmy bezbronni wobec kłamstw. Tylko czy naprawdę jesteśmy? Nad tym też się zastanowimy.