|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
WETENSCHAPSUPERGELEIDING |
|
|
Fysici claimen mijlpaal:
supergeleiding bij kamertemperatuur. Begin van een energierevolutie? |
|
Beeld Studio V |
|
Decennialang dromen
natuurkundigen al van supergeleiding bij kamertemperatuur. Dat zou de deur
openen naar een energie- en technologierevolutie (nooit meer batterijen!). En
nu beweert een groep onderzoekers dat ze beet hebben. |
|
George
van Hal13 november 2020, 13:00 |
|
Toen de Nederlandse
natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes in 1911 kwik extreem afkoelde in zijn
laboratorium in Leiden, gebeurde er iets dat eruit moet hebben gezien als
magie. Plotsklaps verdween alle elektrische weerstand in het
materiaal – alsof je een sluis openzet en het water ineens op volle
vaart langs de kades kolkt. ‘Kwik nagenoeg nul’ schreef hij op 8 april in een
opschrijfboekje dat tegenwoordig eigendom is van het Leidse wetenschapsmuseum
Boerhaave. De zeer koude temperatuur waarbij het opmerkelijke verschijnsel –
vakterm: supergeleiding – zich voordeed: zo’n min 269 graden Celsius. |
|
Pas 45 jaar later volgde de
wetenschappelijke verklaring voor het verschijnsel. Fysici John Bardeen, Leon
Cooper en John Schrieffer beschreven in 1957 onder meer hoe elektronen in
supergeleidende materialen aan elkaar klitten tot zogeheten Cooper-paren die
samen de elektrische weerstand overwinnen. Dat is een van de hoekstenen van
de zogeheten BCS-theorie, waarvoor ze nog eens vijftien jaar later de
Nobelprijs voor de natuurkunde kregen toegekend. |
|
Nu, ruim honderd jaar na de
doorbraak van Kamerlingh Onnes, is supergeleiding niet meer weg te denken uit
de wereld van fysica én technologie. Het ongeremde stromen van elektriciteit
maakt daarbij bijzondere dingen mogelijk. Het bouwen van extreem krachtige
magneten, bijvoorbeeld, waaronder de exemplaren die geladen deeltjes in
geavanceerde deeltjesversnellers in hun banen houden. Of de magneten die
krachtige kernfusiereactoren mogelijk maken, die weer andere deeltjes naar
voorbeeld van onze zon op elkaar persen zodat ze – ooit, hopelijk, in de
toekomst – dienst kunnen doen als schier eindeloze bron van energie.
Supergeleiding duikt bovendien al op in de wereld van alledag, onder meer in
de magneten in het binnenste van de MRI-scanners in ziekenhuizen. |
|
En toch dromen sommigen van
meer, véél meer. Van wereldwijde elektriciteitsnetwerken zonder weerstand,
bijvoorbeeld, waarin stroom honderd procent efficiënt rondpompt zonder
energieverlies in de vorm van warmte. Van extreem krachtige elektromotoren en
geavanceerde zweeftreinen. Van computers die rekenen zonder ooit nog te
oververhitten. Van niets minder, kortom, dan een sciencefictionachtige
energie- en technologierevolutie. |
|
Het enige dat je daarvoor
nodig hebt, zo luidt de hoop: supergeleiding die niet alleen bij zeer lage
temperaturen werkt, maar ook in de wereld van alledag. Gewoon, op een
aangename 20 graden. Op kamertemperatuur. |
|
|
Onbereikbaar fata morgana |
|
|
Decennialang bleek die droom
niets meer dan een onbereikbaar natuurkundig fata morgana. Iets om ’s avonds
na het werk over te fantaseren, om met een twinkeling in de ogen over te
mijmeren op vakconferenties. Iets waarvan, na al die jaren, de échte hoop dat
het ooit nog zou lukken bij de meesten stiekem al wat begon te slijten. |
|
|
Totdat
een groep fysici half oktober een artikel in
vakblad Nature publiceerde met een titel die vakgenoten over de
hele wereld met de ogen deed knipperen en hun hart een paar slagen liet
overslaan: ‘Kamertemperatuur supergeleiding in koolstofrijk
zwavelhybride.’ Het stond er echt. |
|
|
In dat artikel beschrijven
onderzoekers hoe ze de truc uit het lab van Kamerlingh Onnes herhaalden bij
een graadje of 15. Niet helemáál een aangename kamertemperatuur – bij 15
graden trekken de meesten van ons een jas of dikke trui aan – maar
natuurkundig ontegenzeggelijk een prestatie van formaat. |
|
|
‘Een
inspirerend resultaat’, zegt fysicus Carlo Beenakker (Universiteit Leiden),
die het artikel looft als een intrigerend staaltje natuurkunde. Of zoals
chemicus Eva Zurek (State University of New York) het
zei tegen Nature: ‘Ik weet zeker dat na publicatie van dit artikel
veel theoretische en experimentele onderzoeksgroepen hier bovenop zullen
springen.’ |
|
|
De onderzoekers zelf toonden zich in een
persverklaring bovendien uitgesproken optimistisch over de belofte van
hun resultaat. ‘Door de temperatuurslimieten hebben supergeleidende
materialen de wereld nog niet veranderd op de manier waarop velen hoopten.
Maar onze ontdekking zal die barrières openbreken en tot veel potentiële
toepassingen leiden’, zei co-auteur Ranga Dias (University of Rochester)
bijvoorbeeld. |
|
|
Ashkan Salamat (University of
Nevada), die eveneens meeschreef aan het vakartikel, durfde zelfs al hardop
van die toepassingen te dromen. ‘Met dit soort technologie kun je een
supergeleidende samenleving maken waarin je nooit meer dingen als batterijen
nodig zult hebben’, hoopt hij. Wie stroom vrijwel zonder verlies kan laten
rondlopen, zo lijkt zijn gedachte, kan de batterijen in alles van smartphones
tot auto’s definitief vervangen door supergeleidende circuits. |
|
|
Te hoog van de toren |
|
|
Toch is het nog maar de vraag
of de vondst de energierevolutie zal ontketenen waarop de onderzoekers
zinspelen, menen andere experts. Volgens Beenakker, bijvoorbeeld, blazen de
onderzoekers niet alleen in hun persverklaring, maar zelfs in de kop van hun vakartikel
iets te hoog van de toren. |
|
|
‘Bij supergeleiding op
kamertemperatuur denk je toch automatisch aan supergeleiding onder
omstandigheden die je in een huiskamer kunt tegenkomen’, zegt hij. ‘Daarvan
is hier absoluut geen sprake. Het is een beetje flauw om daar wel naar te
wijzen in de titel, dat is een poging om het verhaal mooier te maken dan het
eigenlijk is.’ |
|
|
De onderzoekers hebben
namelijk het ene probleem – de extreem lage temperatuur – ingewisseld voor
een nog veel taaiere kwestie. Om hun materiaal, een verbinding gemaakt van
koolstof, waterstof en zwavel, supergeleidend te maken, persten ze het samen
tussen twee diamanten met een kracht die je normaliter alleen in het
diepste binnenste van de aarde treft. Of, in getallen: zo’n 267 gigapascal,
2,6 miljoen maal de luchtdruk op zeeniveau. |
|
|
‘Begrijp me niet verkeerd: dit
is prachtig onderzoek’, zegt Beenakker, ‘maar als je toe wilt naar
supergeleiding die je gemakkelijk kunt bereiken, is dit juist een stap de
verkeerde kant op.’ |
|
|
Beeld Studio V |
|
|
Revolutie in koeling |
|
|
Waar Kamerlingh Onnes honderd
jaar geleden zijn laboratorium wist om te toveren tot ‘het koudste plekje in
het universum’ en daarmee wereldfaam verwierf, is heel koude temperaturen
bereiken tegenwoordig eigenlijk een eitje. Voor traditionele supergeleiding
is na wat doorbraken een graad of -140 genoeg. En die temperatuur halen is zo
lastig niet meer. |
|
|
‘Dat is echt een revolutie die
we de laatste paar decennia hebben doorgemaakt. Ieder lab met een beetje
budget kan zulke temperaturen bereiken. Voor een ton koop je een koelkast die
dat aankan en die je gewoon in het stopcontact kunt stoppen’, zegt Beenakker.
‘Elk groot natuurkundelab kan dat.’ |
|
|
De druk bereiken die de
onderzoekers nodig hadden om supergeleiding bij 15 graden te bewerkstelligen,
is een heel ander verhaal, benadrukt hij. ‘In heel Nederland is er misschien
één laboratorium waarin dat mogelijk is.’ Bovendien is het volume dat je supergeleidend
kunt maken in dat geval veel kleiner. In het Nature-artikel ging het om grofweg een picoliter, of: 0,000000000001
liter. Terwijl je in een beetje labkoelkast een volume ter grootte van een
voetbal kunt koelen tot -140 graden. ‘Dit is dus echt een stap verder
verwijderd van ‘normale’ omstandigheden’, zegt Beenakker. |
|
|
|
|
Raadsel |
|
|
|
De vraag is alleen: is dat
erg? Beenakker vindt al die toekomstdromen over supergeleidende wondertechnologieën niet zo
interessant, zegt hij. Zéker niet op de korte termijn. ‘Niemand werkt aan die
wondertechnologieën, terwijl dat op basis van de huidige supergeleiding best
mogelijk moet zijn’, zegt hij. |
|
|
|
‘Ik denk niet dat dit valt of
staat met de benodigde temperatuur. Heel andere kwesties bepalen of
supergeleidende technologieën ooit grootschalig worden toegepast.’ Neem
alleen al de overweldigende kosten en moeite van het vervangen van
het totale elektriciteitsnet door een supergeleidende variant. ‘Het zijn
eerder dat soort zaken die de toepassing van deze technologie remmen dan de
mogelijkheden voor goede koeling’, meent Beenakker. |
|
|
|
Als theoretisch fysicus vindt
hij het bovendien interessanter wat supergeleiding nu precies zegt over de
manier waarop de werkelijkheid in elkaar steekt. Vanuit dat oogpunt is
het nieuwe resultaat wél heel interessant, benadrukt hij. Als men onder hoge
druk supergeleiding heeft gezien, is dat immers op een totaal nieuwe manier
tot stand gekomen. De vraag is dan waarom, en hóé, die druk supergeleiding
mogelijk maakt. Net als in 1911 staan fysici daarbij voor een
raadsel – een dat de gangbare theorieën over koude supergeleiding
niet kunnen verklaren. |
|
|
Tegelijk gelooft
niet iedereen dat de onderzoekers inderdáád supergeleiding hebben gemeten. In
een nog niet in een vakblad gepubliceerd artikel schrijven Jorge
Hirsch (University of California) en Frank Marsiglio (University of Alberta)
bijvoorbeeld dat de metingen niet op supergeleiding kúnnen duiden, simpelweg
omdat het materiaal zich anders gedraagt dan je van een supergeleidend
materiaal zou verwachten. ‘Onze conclusie is dat het onmogelijk is dat
dit een overgang naar een supergeleidende toestand laat zien’, schrijven ze
onder meer. En even later: ‘Deze resultaten hebben waarschijnlijk een
gemeenschappelijke oorsprong die nog om opheldering vraagt. Maar het is geen
supergeleiding.’ |
|
|
Ongebaande weg |
|
|
De vraag is opnieuw of dat erg
is. Hoewel de gedroomde technologierevolutie, ondanks het optimisme van de
auteurs van het Nature-artikel,
nog wel even op zich zal laten wachten, staat het buiten kijf dat in de
experimenten iets bijzonders aan de hand is. Supergeleiding of geen
supergeleiding. |
|
|
‘Dit is echt nog een ongebaand
pad’, zegt Beenakker. ‘Dat is altijd mooi.’ Waarnaar dat pad zal leiden, weet
niemand. Maar als de experimenten van Kamerlingh Onnes, ruim honderd jaar
geleden, ons iets hebben geleerd, is het wel dit: de ontdekkingen die het
begrip van de werkelijkheid fundamenteel opschudden, volgen vaak
op plotselinge, bijna magische metingen. Het opmerkelijke gedrag dat
deze fysici onder hoge druk zagen ontstaan, zou daarvan zomaar eens het
volgende voorbeeld kunnen zijn. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|