Eines der interessantesten Dinge bei der Erforschung des Weltraums ist, wie viele Technologien sich auf unsere Fähigkeit auswirken, weiter vorzudringen. Neue Technologien, die möglicherweise nicht sofort im Weltraum eingesetzt werden, können schließlich doch tiefgreifende langfristige Auswirkungen haben. Auf der anderen Seite weiß jeder, dass einige Technologien sofort bahnbrechend sein werden. Supraleiter oder Materialien, die keinen elektrischen Widerstand haben, sind eine der Technologien, die das Potenzial haben, bahnbrechend zu sein. Allerdings haben Hürden für ihre praktische Anwendung ihre Anwendbarkeit auf eine relativ kleine Untergruppe von Anwendungen , mögen Magnetresonanztomographie Geräte und Teilchenbeschleuniger . Doch eine weitere große Hürde für den breiten Einsatz von Supraleitern ist nun genommen: Ein Labor der University of Rochester (UR) hat gerade einen entwickelt, der bei nahezu Raumtemperatur funktioniert. Der große Vorbehalt ist, dass es unter einem ähnlichen Druck wie im Erdkern stehen muss.
Der Supraleiter das UR-Labor, das von . betrieben wurde Dr. Ranga Dias , entwickelt basiert auf Wasserstoff. Auch wenn dies kein intuitiver Ort für die Suche nach einem Material zu sein scheint, das keinen Widerstand hat, sind Wasserstoffverbindungen seit langem auf der supraleitenden Roadmap. In der Vergangenheit konzentrierten sich Forscher darauf, „Hydride“ oder Kombinationen von Wasserstoff mit einem anderen Material zu finden, um eine Mischung zu finden, die bei hohen Temperaturen, wenn auch bei extrem hohen Drücken, supraleitend sein könnte.
Video zu den potenziellen Auswirkungen von Supraleitern bei Raumtemperatur und Druck.
Bildnachweis: Isaac Arthur
Was das UR-Labor tat, war neu, nämlich ein drittes Element in die Mischung aufzunehmen – Kohlenstoff. Kohlenstoff wurde untergemischt Schwefelwasserstoff , das sich bereits als guter „Hochtemperatur“-Supraleiter etabliert hatte. Wie bei vielen bahnbrechenden wissenschaftlichen Experimenten erforderte diese Mischung kleine Optimierungen, um ein funktionierendes System zu finden. In diesem Fall könnte sich jede dieser Optimierungen als ziemlich teuer erweisen.
Der wichtigste Bestandteil des Materialmixes ist Wasserstoff . Wenn Sie zu wenig Wasserstoff hinzufügen, erhalten Sie keine supraleitende Reaktion. Wenn Sie zu viel hinzufügen, wird das Material nur bei Drücken supraleitend, die im Labor unmöglich erreicht werden können. Der Schlüssel besteht darin, einen Sweet Spot zu finden, an dem das Material bei Drücken, die mit einem Werkzeug namens a . erreichbar sind, supraleitend wird Diamantamboss . Dieser Amboss kann, obwohl er den höchsten dem Menschen bekannten Druck erzeugen kann, auch brechen, wenn seine Druckgrenze überschritten wird. Jeder kostet mehr als 3000 US-Dollar, daher ist es wahrscheinlich, dass die Doktoranden, die die Arbeit durchgeführt haben, viele schlaflose Nächte hatten, um die buchstäblichen Kosten ihres Scheiterns zu berechnen.
Grafische Darstellung eines Diamantambosssystems, wie es zur Herstellung des neuartigen Supraleiters verwendet wurde.
Quelle: Wikipedia-Benutzer Tobias1984
Letztendlich ist es ihnen aber gelungen. Das von ihnen entwickelte Material ist in der Lage, bei einer Temperatur von 15 Grad Celsius und bei 267 GPa, 75 % der 330 GPa im Erdkern, supraleitend zu sein. Zum Glück bricht dieser Druck ihre Diamantambosse nicht ständig.
Bei einem so hohen Druck bedeutet dies jedoch, dass dieses spezielle Material für kommerzielle Anwendungen unbrauchbar ist. Es gibt jedoch noch viel mehr zu lernen. Ein wesentliches Merkmal des noch zu entdeckenden Materials ist seine Kristallgitterstruktur. Die Gitterstruktur ist eine wichtige Komponente, um zu verstehen, wie etwas supraleitend ist. Metallischer Wasserstoff ist notorisch schwer nach Gitterstrukturen zu untersuchen, da sie zu klein sind, um mit herkömmlichen Techniken nachgewiesen zu werden. Dieses Unverständnis macht es unmöglich, die genaue chemische Zusammensetzung des Materials zu kennen, das sich gebildet hat, als die Verbindung unter so hohem Druck gesetzt wurde.
Mikroskopische Aufnahmen der Entstehungsstadien des atomaren molekularen Wasserstoffs: Transparenter molekularer Wasserstoff (links) bei ca. 200 GPa, der in schwarzen molekularen Wasserstoff umgewandelt wird, und schließlich reflektiver atomarer metallischer Wasserstoff bei 495 GPa. Dieses Material ist der Schlüssel zum Verständnis der Struktur des neuartigen Supraleiters.
Bildnachweis: Isaac Silvera
Kohlenstoff könnte der Schlüssel sein, um diesen Druck zu vermeiden. Gitterstrukturen gebildet mit Kohlenstoff sind im Vergleich zu den leichten Bindungen, die Wasserstoff bildet, sehr stabil. Wenn Materialwissenschaftler in der Lage sind, diese Kohlenstoffstruktur so zu nutzen, dass sich die Elektronen bei niedrigeren Drücken frei bewegen können, könnte dies zu einem Supraleiter bei Raumtemperatur und Druck führen.
In der Zwischenzeit werden Theoretiker und Experimentatoren im Wettlauf um die Entwicklung neuer Ideen und Materialien basierend auf diesen Erkenntnissen sein. Fast jeder Artikel des Papiers enthält begeisterte Zitate von Fachforschern, die nicht Teil des Originalwerks waren. Wenn Wissenschaftler zusammenkommen, um die Arbeit ihrer Kollegen zu loben, ist das ein gutes Zeichen dafür, dass ein echter Meilenstein erreicht ist. Mit etwas mehr Arbeit und nach 100 Jahren Forschung könnten wir endlich supraleitende Materialien in der Weltraumforschung und darüber hinaus einsetzen.
Erfahren Sie mehr:
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Quanta-Magazin - Erstmals erreichte Supraleitfähigkeit bei Raumtemperatur
Natur - Erster Raumtemperatur-Supraleiter erregt – und verblüfft – Wissenschaftler
Header Image Credit: J. Adam Fenster / University of Rochester
