Morgunblaðið - 03.05.1987, Blaðsíða 28

28
MORGUNBLAÐIÐ, SUNNUDAGUR 3. MAÍ 1987
Tæknibylting í fæðingu
Ofurleiðarar við
eftir dr. Hans Kr.
Guðmundsson
Ágrip
Allt fram á þetta ár hefur ofur-
leiðni verið óaðgengilegt fyrirbæri
við fimbulkulda í nánd við alkul og
ekki nýst til almennrar hagnýting-
ar. Nú eiga sér hins vegar stað
byltingarkenndar breytingar á
þessu með því að vísindamenn hafa
uppgötvað ofurleiðni í nýjum flokki
efna. Tekist hefur að fimmfalda
hámark þess hitastigs sem tak-
markar ofurleiðniástandið og
óstaðfestar fregnir eru um að
fímmtánföldun eða meira sé í að-
sigi. Þessar fréttir úr tilraunastof-
um eðlisfræðinga víðs vegar um
heim boða nýja tæknibyltingu. Telja
ýmsir að hér sé á ferðinni tæknibylt-
ing á við það þegar smárinn var
fundinn upp og hálfleiðaratæknin
leysti gömlu útvarpslampana af
hólmi.
Hvað er ofurleiðni?
Góðir leiðarar eru notaðir til þess
að flytja rafstraum þar sem þess
er þörf, í raflínum, rafmótorum og
rafeindabúnaði. Yfirleitt er hér um
að ræða málma eins og eir eða ál
og stöku sinnum gull og silfur í
rafeindabúnaði. Slíkir leiðarar veita
rafstraumnum viðnám, orka tapast,
leiðslur hitna og þar sem mikill
straumur fer þarf oft að flytja burtu
varmann með kælivatni. Þótt und-
arlegt megi virðast verða þessir
góðu leiðarar yfirleitt ekki ofurleið-
arar, þótt viðnámið minnki mikið
við mikla kælingu. Ofurleiðarar eru
hins vegar slæmir leiðarar nema
þegar þeir komast í það annarlega
ástand, sem kallað er ofurleiðni. í
þessu ástandi flytja þeir rafstraum
hindrunarlaust, án viðnáms og
varmamyndunar. Þessu ástandi
fylgir einnig sá óvenjulegi eiginleiki
að forðast segulsvið og hrinda því
frá sér.
Mynd sú, sem sérfræðingar telja
lýsa þessu ástandi best, er að raf-
eindirnar beri ekki rafstrauminn
hver fyrir sig eins og í venjulegum
leiðurum, heldur pari þær sig tvær
og tvær með aðstoð frá varmatitr-
ingi atómanna og geti þannig borið
rafstraum hindrunarlaust. Tenging
rafeindanna í parinu er þó svo veik
ýfirleitt að of mikill varmatitringur
atómanna rýfur hana. Ofurleiðni-
ástandið á sér því ávallt hámarks-
hita, sem er breytilegur eftir efnum.
Þessi hámarkshiti er yfirleitt mjög
lágur og í flestum tilfellum í nánd
við alkul þannig að ofurleiðni hefur
allt fram á síðastliðið ár aðeins
þekkst við meira en 250 stiga frost,
eða minna en 23° frá alkuli (23 K).
Þessi annmarki hefur hindrað
tæknilega hagnýtingu ofurleiðninn-
ar því hún krefst kælingar með
fljótandi helíum. Helíum er það efni
sem hefur lægst suðumark, 269
stiga frost eða um fjórar gráður frá
alkuli (4K). Helíum þekkjum við úr
daglegu lífí m.a. sem gas í blöðrum
bamanna á 17. júní, en með erfíðri
og dýrri tækni er hægt að kæla það
niður fyrir suðumark og gera fljót-
andi. Slíkan vökva má kaupa á vel
einangruðum brúsum en kostar
líklega hátt í þúsund krónur lítrinn,
a.m.k. komið hingað til lands. Það
gefur augaleið að sá orkuspamað-
ur, sem yrði við að flytja raforku
frá Búrfelli og Sigöldu með ofurleið-
urum væri dýru verði keyptur.
Þrátt fyrir þessa annmarka sem
há nýtingu ofurleiðninnar þá hefur
hún komið að gagni með helíum-
kælingu á ýmsum sviðum. Hér má
nefna ofurleiðandi rafsegla, sem
m.a. em nú að ryðja sér til rúms í
nýjum myndgreiningartækjum
(NMR) sjúkrahúsa. Hér má einnig
telja rafeindatæknina þar sem svo-
kölluð Josephson-tengi byggð á
þunnum ofurleiðandi lögum hafa
gefíð betri mælitæki en áður þekkt-
stofuhita
ust. Tölvurásir byggðar á slíkum
einingum eru miklum mun hrað-
virkari en áður hefur þekkst. Mikið
þróunarstarf hefur þegar verið unn-
ið á þessu sviði en hagnýtingin
fallið á kælingarþörfinni.
Þróun ofurleiðninnar
Á seinni hluta 19. aldar og í
upphafí hinnar 20. markaðist þróun
tækni og vísinda mjög af kapp-
hlaupinu í átt að alkuli. Tekist hafði
með hugvitssamlegum aðferðum
smám saman að ná lægri hita en
áður með því að þétta hveija loft-
tegundina á fætur annarri. Súrefni
varð fljótandi við um 183 stiga
frost, köfnunarefni við um 196 stiga
frost og vetni við um 253 stiga
frost. Arið 1908 var í Leiden í
Hollandi stigið stórt skref í áttina
að alkuli þegar Kamerlingh Onnes
tókst að þétta helíumgas sem hefur
lægst suðumark allra efna og verð-
ur fljótandi við 269 stiga frost.
Árangur þessarar kælitækniþróun-
ar varð sá að nýr heimur opnaðist
vísindamönnum. Nýir efniseigin-
leikar voru uppgötvaðir, gömul
fræði urðu úrelt og tilraunagrund-
völlur var lagður að nýrri eðlisfræði,
skammtafræðinni. Það var í Leiden
árið 1911 að Kamerlingh Onnes sá
fyrstur merki ofurleiðandi ástands,
þegar hann var að kanna hegðun
rafviðnáms í kvikasilfri með helíum-
kælingu sinni. Viðnám kvikasilfurs-
ins féll allt í einu niður í ómælanlega
lítið. Fljótlega kom í ljós að fleiri
málmar sýndu svipaða hegðun svo
sem tin og blý.
Ýmsir annmarkar voru á hagnýt-
ingu ofurleiðninnar í þessum hreinu
málmum. Þetta var ekki einungis
vegna dýrrar kælingar heldur þoldi
ástandið ekki að bera sterkan
straum án þess að missa eiginleik-
ann. Það var ekki fyrr en upp úr
1940 að níóbmelmi fundust sem
þoldu sterkari strauma við helíum-
kulda. Hámarkshiti ofurleiðninnar
hafði á um 30 árum hækkað um
10° og átti síðan eftir á næstu 30
árum að hækka um 8 gráður í við-
bót. Þau efnasambönd, sem þannig
reyndist hægt að nýta til að bera
raforku og mynda segulsvið voru
nær eingöngu níóbmelmi og eftir
1973 virtist ekkert gerast sem benti
til þess að ofurleiðni ætti eftir að
nýtast í annað en í dýra sérhæfða
tækni þar sem kælikostnaður var
aukaatriði.
Vísindamenn gáfust þó ekki upp
og leituðu fyrir sér í ýmsum efnis-
flokkum að ofurleiðandi ástandi og
draumurinn var auðvitað að þoka
hámarkinu upp á við. Víða var leit-
að, margt var reynt, menn náðu
sífellt meiri og betri fræðilegum
skilningi á ástandinu, en hámarks-
hitinn hækkaði ekkert frá hámarki
níóbmelmanna sem var um 23 K.
í janúar á síðastliðnu ári komu
í ljós fyrstu merki um þá byltingu
sem nú er að gerast. K. Alex Mull-
er, eðlisfræðingur við IBM tilrauna-
stofumar í Zurich í Sviss, fann
koparoxíðblöndu sem varð ofurleið-
andi við 243 stiga frost, 30° frá
alkuli og stökk þar á einu bretti
jafnlangt í hækkun hámarksins og
mjakast hafði á rúmlega fjörutíu
árum. Þessi koparoxíð innihéldu
frumefnin lanthan og baríum um
það bil til helminga á við koparinn
og súrefnið. Það leið ekki á löngu
áður en hópur vísindamanna við
Tókýó-háskóla og annar hópur við
Houston-háskóla höfðu staðfest
niðurstöður Mullers. Með hugvits-
samlegri prófun efnaflokks sem lítt
var þekktur hafði opnast nýr heim-
ur og árangurinn lét ekki standa á
sér. Áður en árið var liðið hafði
tekist að þróa oxíð Mullers þannig
að hámarkið var komið yfir 52° frá
alkuli eða um 220 stiga frosc. Þá
var komið að næsta skrefí, sem
Ching-Wu Chu og hópur hans við
Houston-háskóla tóku þegar þeir
settu frumefnið yttríum í stað lant-
„Á Raunvísindastofnun
Háskólans er ennfrem-
ur fyrir hendi aðstaða
til rannsókna á eðlis-
fræðilegiim eiginleik-
um ofurleiðara. Það er
því umhugsunarvert,
hvort ástæða sé til að
mynda lítinn hóp til
rannsókna og þróunar
á þessu sviði. Ekki til
að sigra í samkeppninni
við risana austan hafs
og vestan, heldur til
þess að vera vel undir
hugsanlega tæknibylt-
ingu búin og geta verið
skjót til hagnýtingar
þegar færi gefast.“
hans. í febrúar síðastliðnum tókst
þeim að búa til sýni úr þessu nýja
oxíði sem varð ofurleiðandi 98° frá
alkuli eða við 175 stiga frost. Með
þessu höfðu þeir rofið fyrstu hindr-
un í vegi hagnýtingar, köfnunarefn-
ismúrinn. Köfnunarefni sýður við
um 20° lægri hita en þetta auk
þess að vera auðfengið og ódýrt á
fljótandi formi, minna en tíundi
hluti af verði fljótandi helíums. Hér
eru því fyrstu raunverulegu fram-
farimar sjáanlegar í hagnýtingu.
Segja má að tilraunaeðlisfræð-
ingar standi nú á öndinni um heim
allan og leggja nótt við dag í harðri
samkeppni við að prófa nýjar sam-
HITIIMN STÍGUR
OG STÍGUR
0° C(273K) Óstaðfestar
fregnir eru um ofurleiðni
um og yfir frostmarki.
-175° C(98K) Chu og fé-
lagar við Houston-háskóla
ijúfa köfnunarefnismúr-
inn. Febrúar 1987.
-234° C(39K) Árslok
1986. Þróun á oxíðum
Miillers.
-243° C(30K) Janúar
1986. Miiuller og félagar
á IBM-tilraunastöðinni i
Zuurich sjá ofurleiðni í
koparoxíði.
-250° C(23K) 1973: Hættu
ofurleiðnimörk nióbmel-
manna.
-258° C(15K) 1941: Tak-
mörkuð hagnýting mögu-
leg með uppgötvun
ofurleiðandi níbmelmis.
-269° C(4K) 1911:
Vísindamenn i Leiden
fmna fyrstir ofurleiðni í
kvikasilfri.
Hans Kr. Guðmundsson
setningar í von um að uppskera
laun þau sem fáa hefur hingað til
þorað að dreyma um, ofurleiðni við
stofuhita. Hér er auðvitað í augsýn
ómældur heiður og hugsanlega
ágóði á formi Nóbelsverðlauna,
einkaleyfa og fleira því líkt.
Vísindamenn eru því mjög ná-
kvæmir um skráningu allra teikna
um ofurleiðni í nýjum sýnum, jafn-
vel upp á mínútu, til þess að geta
sannað óyggjandi hvort þeir voru
fyrstir, ef til kemur. Einu staðfestu
niðurstöðurnar í dag eru það sem
að ofan var talið eða ofurleiðni við
um 170 stiga frost. Heyrst hafa
hins vegar óstaðfestar fréttir af því
að sovéskir vísindamenn hafi fundið
ofurleiðni við 23 stiga frost og
bandarískir hópar m.a. á Bell til-
raunastofunum hafí fundið ofur-
leiðni við 10 stiga hita! Verði þetta
staðfest er hér um að ræða forboða
tæknibyltingar sem ekki sér fyrir
endann á.
Vísindamaðurinn K. Alex MUller
hjá IBM í ZUurich, sem kom
öllum ósköpunum af stað.
Ofurleiðni við stofuhita
— hvaða bylting er það?
Ofurleiðnin nýtist nú þegar til
margs eins og fyrr var drepið á.
Kæling með fljótandi helíni er þó
svo dýr, að hagnýting er einungis
raunhæf í vissum tilvikum. Verð-
munur á fljótandi helíni, sem kælir
niður í 269 stiga frost, og fljótandi
köfnunarefni, sem kælir niður í um
195 stiga frost er eins og á útsölu-
verði koníaks og kóka kóla. Það
getur því hver og einn reiknað út
að ofurleiðandi tölva, sem kannski
þyrfti 5 lítra af kælivökva á dag
yrði viðráðanlegri í rekstri ef hún
gæti unnið við hitastig fljótandi
köfnunarefnis. Sú staðreynd að
vísindamenn hafa nú fundið efni,
sem verða ofurleiðandi við svo háan
hita veldur fiðringi í hönnuðum um
heim allan. Þær óstaðfestu fréttir
sem berast nú af nýjum efnum sem
sýna merki um ofiirleiðni við hita
sem er á við meðalsumardag á Is-
landi þannig að hagnýting þyrfti
hugsanlega engrar kælingar við,
boða byltingu.
Venjulega tekur um tuttugu ár
fyrir ný efni að komast af tilrauna-
stofum vísindamanna út á markað
í vörum og búnaði. Þrátt fyrir það
að þessi tími sé alltaf að styttast
má reikna með að það verði vart
fyrr en undir næstu aldamót að
þessar uppgötvanir hefðu raun-
veruleg áhrif í daglegu lífi. Það
yrðu trúlega þijú tæknisvið sem
hugað verður að. Orkuframleiðsla
og flutningur, tölvu- og skynjara-
tækni og almenn flutningatækni.
Flutningur raforku langar leiðir án
orkutaps mundi spara ótrúlegar
upphæðir, svona um það bil
10—15% af allri raforkunotkun. í
Bandaríkjunum t.d. tapast nú í raf-
leiðslum álíka orka og þarf til
lýsingar á allri Kyrrahafsströnd-
inni. Með ofurleiðandi orkuflutningi
þarf því minni framleiðslu fyrir
sömu notkun. Ofurleiðandi vafning-
ar í mótorum og rafölum nýta
orkuna betur, hægt yrði að hanna
smærri og sterkari mótora t.d. í
skipsvélar sem gætu orðið helmingi
minni en nú er. Rafmagnsbílinn
yrði hugsanlega raunhæfur valkost-
ur. Mest yrðu þó trúlega áhrifin á
sporstýrð farartæki eins og lestir,
sem gætu svifíð núningslaust yfir
sporinu á sterku segulsviði frá ofur-
leiðandi seglum. Ofurleiðandi
tölvurásir boða nýja kynslóð tölva
þar sem þunn ofurleiðandi lög gætu
aukið vinnsluhraða þúsundfalt mið-
að við kísilflögur tölvanna í dag.
Síðast en ekki síst má nefna að
nýir ofurleiðandi seglar gætu gert
að veruleika drauminn um nýtingu
vetnisorkunnar með kjamasam-
runa, og boða þar með framtíðar-
lausn á orkuþörf heimsbyggðar.
En bjöminn er ekki unninn enn.
Áralangar tilraunir þarf enn áður
en ljóst verður hve mikil not má í
raun hafa af hinum nýju efnum.
Þessi keramíkoxíð eru framleidd
sem duft og þarf að þjappa og binda
komin í fast heildarefni með hita-
meðferð (sintrun). Þau eru í eðli
sfnu stökk og molna. Það er því
t.d. ekki ljóst í dag hvort hægt verð-
ur að framleiða t.d. efni í raflínur
sem þurfa að þola veður og vind.
Vegna hinna gífurlegu áhrifa, sem
þetta gæti haft á alla framtíð iðnað-
ar og þjóðfélags er nú dælt fjár-
magni í ofurleiðnirannsóknir víðs
vegar um heim bæði í fyrirtækjum
og af stjómvöldum. Sem dæmi má
nefna Japan, en Japanir hafa yfír-
leitt verið manna fyrstir til að koma
vísindauppgötvunum í hagnýtingu.
Iðnaðar- og útflutningsráðuneyti
Japan (MITI) tók strax við sér og
hefur þegar safnað saman nokkrum
lykilfyrirtækjum og háskólahópum
til sameinaðs stórátaks á þessu
sviði. Eins og fulltrúi frá MITI á
að hafa orðað það „til að kanna
þann undraheim framtíðarinnar,
sem hinir nýju ofurleiðarar lofa“.
Hvað um ísland?
Á Islandi hefur á undanfömum
árum átt sér stað þekkingarupp-
bygging á sviði efnistækni á
Iðntæknistofnun Islands og í há-
skóla íslands. Á nýiðnaðardeild
Iðntæknistofnunar er m.a. unnið
að þróunarverkefnum á sviði há-
tæknikeramíks og þar er því nú
þegar fyrir hendi tækjabúnaður og
þekking sem þarf til þess að búa
til hina nýju'ofurleiðara og grein-
ingaraðstaða á efniseiginleikum
þeirra. Á Raunvísindastofnun Há-
skólans er ennfremur fyrir hendi
aðstaða til rannsókna á eðlisfræði-
legum eiginleikum ofurleiðara. Það
er því umhugsunarvert, hvort
ástæða sé til að mynda lítinn hóp
til rannsókna og þróunar á þessu
sviði. Ekki til að sigra í samkeppn-
inni við risana austan hafs og
vestan, heldur til þess að vera vel
undir hugsanlega tæknibyltingu
búin og geta verið skjót til hagnýt-
ingar þegar færi gefast.
Höfundur er doktor í eðlisfræði
þéttefnis og deildarstjóri ntáim-
tæknideildar Iðntæknistofnunar
íslands.