In deze blogpost onderzoeken we hoe supergeleiders energieverlies kunnen aanpakken en welke veranderingen ze teweeg kunnen brengen in onze maatschappij en technologie.
De moderne wetenschap stelt dat energie in het hele universum behouden blijft. Energie die nuttig is voor de mensheid, verandert echter vaak in nutteloze energie. In het dagelijks leven wordt niet alle energie die mensen gebruiken bij het uitvoeren van werk ook daadwerkelijk voor dat werk gebruikt. Dit komt doordat een deel van de energie door de weerstand van objecten wordt omgezet in warmte-energie. Dit is een thermodynamisch spontaan fenomeen, terwijl de omzetting van warmte-energie in andere vormen van energie een niet-spontaan fenomeen is. Met andere woorden, een deel van de energie die mensen als nuttig ervaren, wordt elke keer dat deze wordt gebruikt, verspild. Deze natuurlijke energieverspilling heeft een grote impact op elk aspect van ons leven. Daarom heeft de mensheid lang gezocht naar manieren om energieverlies te verminderen en energie efficiënter te gebruiken.
Dus, wat als er een materiaal zou bestaan dat deze verspilling zou kunnen voorkomen? Specifiek voor elektrische energie bestaat zo'n materiaal – een materiaal dat energieverlies elimineert. Dat materiaal is een supergeleider. Een supergeleider is een geleider die supergeleiding vertoont onder een bepaalde temperatuur (de zogenaamde kritische temperatuur). Supergeleiding is het fenomeen waarbij de elektrische weerstand van een materiaal tot nul daalt en het materiaal diamagnetisch wordt. Diamagnetisme is het fenomeen waarbij een materiaal een intern magnetisch veld afstoot. Als een object diamagnetische eigenschappen bezit, kan een magnetisch veld het binnenste niet binnendringen. Supergeleiders worden geclassificeerd in Type I en Type II supergeleiders. Een Type I supergeleider is een supergeleider die volledig voorkomt dat een magnetisch veld het binnenste binnendringt. Een Type II supergeleider is een supergeleider die een magnetisch veld doorlaat. Met andere woorden, een Type II supergeleider is een materiaal dat supergeleiding behoudt zonder perfect diamagnetisme te vertonen. Type I supergeleiders zijn meestal zuivere stoffen, terwijl Type II supergeleiders over het algemeen synthetische materialen zijn die naar behoefte worden gemaakt. De meeste technologieën die supergeleiders gebruiken, maken gebruik van Type II-supergeleiders.
Hoe werden supergeleiders ontdekt? Net als veel andere ontdekkingen gebeurde de ontdekking van supergeleiding bij toeval. In 1911 voerde de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes experimenten uit naar het verband tussen de temperatuur van vast kwik en de elektrische weerstand ervan. Heike Kamerlingh Onnes ontdekte dat de weerstand van kwik lineair afnam met de temperatuur naarmate deze daalde. Toen de temperatuur van kwik echter 4.2 K bereikte, daalde de weerstand plotseling tot nul. Deze ontdekking veroorzaakte destijds een grote schok in de natuurkundige gemeenschap en leidde tot een nieuw begrip van de natuurkundige verschijnselen die zich bij extreem lage temperaturen voordoen.
Na de eerste waarneming van supergeleiding in 1933 ontdekten Fritz Walther Meißner en Robert Ochsenfeld dat Type I-supergeleiders diamagnetische eigenschappen vertonen. Deze ontdekking legde de basis voor een dieper begrip van supergeleiders. Hun bevinding markeerde een belangrijk keerpunt in het onderzoek naar supergeleiding en leidde tot actief onderzoek naar de potentiële commerciële toepassingen van supergeleiders. Vervolgens publiceerden Lev Landau en Vitaly Ginzburg in 1950 een theorie die de eigenschappen van supergeleiders verklaarde. Aleksej Abrikosov voorspelde, op basis van deze theorie, dat supergeleiders in twee typen zouden worden ingedeeld. In 1962 werd de eerste commerciële supergeleider ontwikkeld. Sindsdien streven ingenieurs ernaar supergeleiders te ontwikkelen die supergeleiding vertonen bij kamertemperatuur.
Type I supergeleiders zijn vanwege hun eigenschappen vrijwel onmogelijk commercieel toepasbaar. Type II supergeleiders daarentegen worden in diverse sectoren toegepast. Een representatief voorbeeld van supergeleidende toepassingen is de supergeleidende elektromagneet. Een elektromagneet is een magneet die alleen gemagnetiseerd wordt wanneer er een elektrische stroom doorheen loopt. Elektromagneten worden gebruikt in luidsprekers en soortgelijke apparaten. Door een supergeleider, die geen weerstand heeft, te gebruiken om een elektromagneet te maken, kan energieverspilling tijdens de werking ervan worden voorkomen. Supergeleiders worden ook gebruikt in circuits. Circuits met supergeleiders werken sneller dan circuits zonder. Een snellere werking van het circuit verkort niet alleen de experimentele tijd met het circuit, maar maakt ook de ontwikkeling van snellere elektronische apparaten mogelijk.
Als er een supergeleider wordt ontwikkeld die supergeleidend is bij kamertemperatuur, kan dat materiaal worden gebruikt in diverse toepassingen, zoals hoogspanningsleidingen, condensatoren, transformatoren, magnetische zweeftreinen en motoren. Supergeleidende draden elimineren elektrisch energieverlies tijdens de energieoverdracht. Door onnodig energieverlies te elimineren, hoeft er minder energie te worden opgewekt en wordt verspilling van hulpbronnen voorkomen.
Maglev-treinen met supergeleiders kunnen met ultrahoge snelheden rijden. Dit zal bijdragen aan de vooruitgang in transport. Momenteel hebben ingenieurs de kritische temperatuur van supergeleiders verhoogd tot 52 K en het onderzoek gaat door. De supergeleider, bij toeval ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes, heeft ook een belangrijke stempel gedrukt op de geschiedenis van de wetenschap voor de moderne samenleving die kampt met energiecrises.
Sinds de ontdekking van supergeleiders hebben ze niet alleen een grote invloed gehad op de natuurkunde, maar ook op diverse vakgebieden zoals elektrotechniek en materiaalkunde. Supergeleiders zijn niet langer louter objecten van fysieke nieuwsgierigheid; ze zijn uitgegroeid tot belangrijke technologische hulpmiddelen met een potentieel voor praktische toepassing. Bovendien hebben ze een groot potentieel om aanzienlijk bij te dragen aan de maatschappelijke ontwikkeling. In de huidige wereld, waar het roekeloze gebruik van beperkte hulpbronnen problematisch is, wordt de ontwikkeling van supergeleiders die bruikbaar zijn bij kamertemperatuur als cruciaal beschouwd. Als ingenieurs materialen ontwikkelen die supergeleiding vertonen bij kamertemperatuur, zal de mensheid een stap voorwaarts zetten in haar evolutie. Naarmate de commerciële toepassingen van supergeleiders toenemen, zullen we energie efficiënter en duurzamer kunnen gebruiken. Dit zal een cruciale rol spelen bij het oplossen van veel van de problemen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd, met name die met betrekking tot energie en het milieu.
