Menu Close

Supergeleiding kan nu in de diepvries

Kans op brede toepassing neemt eerder af dan toe

Franse onderzoekers meldden deze week een doorbraak in het onderzoek naar supergeleiding. Al bij behaaglijke warmte van -23 °C viel in hun zorgvuldig materiaal de elektrische weerstand vrijwel volledig weg.

EEN GROTE SPRONG voor natuurkundigen, een klein stapje voor de rest van de mensheid. Zo kan, Neil Armstrong parafraserend, de bekendmaking deze week van een nieuw warmterecord voor een supergeleidend materiaal worden gekenschetst. Vergeleken met de manier waarop de record-temperaturen de afgelopen jaren omhoog kropen, betekent een verbetering met ruim 85 graden Celsius op zich natuurlijk een enorme wetenschappelijke vooruitgang. Om de nieuwste materialen te maken moet echter zo veel uit de kast worden gehaald, dat brede toepassing ervan niet echt dichterbij is gekomen.

Supergeleiding is als verschijnsel al lang bekend – in 1911 ontdekte de Leidse dat natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes dat kwik, wanneer je het met behulp van vloeibaar helium koelde tot de ongelooflijk lage temperatuur van -269°C, zijn elektrische weerstand geheel verloor. Het materiaal is dan zo koud, dat het maar vier graden boven het ‘absolute nulpunt’ blijft van -273°C – het punt waarop de atomen eenvoudigweg stil staan.

Erg praktisch was die ontdekking echter niet: om materiaal zo ver af te koelen zijn heel wat kunstgrepen nodig. Toepassing van kwik als supergeleider – een materiaal met een elektrische weerstand van 0 Ohm, waarin een eenmaal op gang gebrachte stroom eeuwig blijft rondlopen – bleef dus uit.

In die situatie kwam weinig verandering toen andere metaal-legeringen werden gevonden die bij temperaturen onder de -250°C hun weerstand verloren. Vloeibaar helium is niet de goedkoopste gemakkelijkste koelvloeistof. Alleen in zeer gespecialiseerde toepassingen, zoals uiterst gevoelige apparatuur waarin in de medische wereld heel zwakke magnetische velden worden gemeten, konden ze worden gebruikt.

Stikstof

De sensationele ommekeer kwam in 1986. De Zwitserse IBM-onderzoekers Georg Bednorz en Alex Müller kookten een mengsel van verschillende elementen, en lieten het daarna afkoelen tot een bros, keramisch materiaal. Het resultaat was dus geen metaal, maar bleek supergeleidend bij -240°C. Het leverde de twee fysici al binnen een jaar een Nobelprijs op, en blies het zieltogende vakgebied plotseling weer nieuw leven in. Overal ter wereld werden nieuwe materialen samengesteld en uitgeprobeerd.

De magische grens van -196°C – het kookpunt van vloeibare stikstof – werd al een jaar later doorbroken, na wat rommelen met ingrediënten en kookrecepten. Aangezien vloeibare stikstof een veelgebruikt en dus niet al te duur koelmiddel is, kwamen daarmee ook enkele nieuwe toepassingen binnen handbereik.

Het einddoel van de makers van supergeleiders is duidelijk: materialen maken die bij ‘kamertemperatuur’ – +20°C – geen weerstand meer hebben. Het complete elektriciteitsnet zou vervangen kunnen worden door supergeleidende draden – de energiebesparing als gevolg van het verdwijnen van spanningsverlies zou complete kerncentrales overbodig maken. Elektrische auto’s zouden op een paar zaklantaarn-batterijen urenlang doorsnorren, computers zouden sneller dan ooit hun berekeningen kunnen uitvoeren, supergeleidende treinen zouden stroomloos over magnetische rails kunnen zweven.

In de race naar kamertemperatuur zou echter eerst nog een andere mijlpaal moeten worden gepasseerd: —30°C, de temperatuur die zelfs in een eenvoudig driesterren-vriesvak, gekoeld met vloeibaar freon, kan worden bereikt.

Maar helaas, nadat in 1988 het record op -148°C werd gesteld, kwam de klad erin. Vijf jaar lang bleef het doodstil op het gebied van de supergeleiders. Tot het nu bijna afgelopen jaar: in 1993 buitelden de records weer als vanouds over elkaar heen. In het voorjaar werd een temperatuur van -138°C bereikt, een waarde die in september al weer sneuvelde: toen maakten Amerikanen bekend dat, wanneer ze een al bekend keramisch mengsel onder hoge druk zetten, al bij -109°C supergeleiding kon worden waargenomen.

Deze week zorgde onderzoeker Michel Laguës, werkzaam bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), voor nieuwe opwinding. In het Parijse laboratorium hadden hij en zijn medewerkers plakjes materiaal gefabriceerd waarvan de weerstand al bij een temperatuur van +7 °C begint te dalen. Vrijwel supergeleidend, met een elektrische weerstand die meer dan honderdduizend keer kleiner was dan normaal, werd het materiaal dan rond de -23°C – ruim binnen de marges van een huis-, tuin- en keukenvriesvak dus. Op dat moment leek het materiaal ook het ‘effect van Meissner’ te vertonen – belangrijk bewijs dat er werkelijk sprake is van supergeleiding: omdat magnetische veldlijnen door de atoomlaagjes worden ‘vastgepind’, blijft een schijfje supergeleidend materiaal, ‘gevangen’ in het magnetisch veld, doodstil boven een magneet hangen in plaats van weg te glijden.

Anders dan in een eerder gemelde proef, die bij dezelfde temperatuur ook héél even supergeleiding liet zien, hield het effect van de Fransen wekenlang aan, zij het dat na verloop van een maand wel weer wat extra koeling nodig was.

Eenvoud

Het materiaal van Laguës verschilt op één belangrijk punt van alle eerder gebruikte materialen: het is uitzonderlijk moeilijk te maken. Een van de charmes van de proeven uit 1986 was juist, dat ze in elk laboratorium gemakkelijk konden worden nagebootst. Goed mengen van de juiste hoeveelheden ingrediënten, doorkoken tot 1000°C en vervolgens langzaam laten afkoelen was genoeg. De atomen in het materiaal stolden als vanzelf tot microscopische dunne laagjes, waartussendoor de elektronen vrijelijk leken te kunnen stromen.

Met de proef van Laguës is aan die betrekkelijke eenvoud een einde gekomen. De Fransman bouwde voort op de theorie dat in alle tot nu toe gevonden supergeleiders afwisselende laagjes koper en zuurstof-atomen een cruciale rol speelden. Hoe meer van deze laagjes op elkaar, hoe beter de supergeleiding bleek te verlopen. Met de gangbare methode van koken en langzaam laten stollen leek met drie laagjes de grens echter wel bereikt.

Laguës en zijn collega’s bedachten dus een techniek waarmee de koper- en zuurstofatomen welbewust, laagje voor laagje, bovenop elkaar gestapeld kunnen worden. Het eindprodukt, waarin acht laagjes op elkaar liggen, bracht het resultaat dat deze week opgetogen in Science (dl 262, p. 1850) werd gemeld.

Ironisch genoeg onderstreept de Franse proef juist de geringe kans dat supergeleiding binnen afzienbare tijd tot bruikbare grootschalige toepassingen zal leiden. Want mèt de temperatuur blijkt ook de moeilijkheidsgraad van de produktiemethoden van het materiaal snel toe te nemen. Het Parijse laboratorium kon slechts met grote moeite, via een uiterst ingewikkeld en tijdrovend procédé, heel kleine stukjes supergeleidend materiaal maken – stukjes die de komende weken naar collega’s zullen worden opgestuurd om het resultaat te verifiëren.

Voor grote elektromotoren, laat staan supergeleidende treinen, is zo’n produktiewijze niet veelbelovend. Bovendien lijkt het materiaal gevoelig voor zuurstof in de lucht – en ook dat is voor de meeste toepassingen niet erg handig.

Deze praktische problemen komen bovenop de hindernissen die toch al in het verschiet lagen: de brosse, keramische materialen zijn, anders dan metalen, nauwelijks tot draden te trekken – en dat zou voor de stroomvoorziening toch wel handig zijn. Bovendien treedt de supergeleiding alleen op bij heel lage stroomintensiteiten – veel te laag voor de belangrijkste potentiële toepassingen.

Het Franse resultaat is, kortom, opwindend vanuit puur wetenschappelijk standpunt bezien. Maar dat het de toepassing van supergeleiding dichterbij heeft gebracht, lijkt vooralsnog zeer onwaarschijnlijk.

Related Posts