Hoge-temperatuursupergeleiding: elektriciteit zonder weerstand
Stroom door een gewone koperdraad ondervindt altijd weerstand: de bewegende elektronen botsen voortdurend tegen trillende atomen in het metaal, en die botsingen kosten energie die als warmte verloren gaat. Daarom wordt een verlengsnoer warm en gaat er in elk stroomnet onderweg altijd een deel van de elektriciteit verloren. Een supergeleider is een materiaal dat, als je het voldoende afkoelt, dit probleem volledig oplost: onder een bepaalde temperatuur verdwijnt de elektrische weerstand compleet. Stroom die je in een gesloten lus van supergeleidend materiaal laat rondlopen, zou in theorie jarenlang blijven circuleren zonder ook maar iets van zijn energie te verliezen.
Het woord 'hoge temperatuur' in hoge-temperatuursupergeleiding (vaak afgekort als HTS) klinkt verwarrend, want het gaat nog altijd om extreme kou: meestal rond de -196°C. Toch is dat 'hoog' vergeleken met de allereerste supergeleiders uit de twintigste eeuw, die pas werkten bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-273°C) en daarvoor peperduur vloeibaar helium nodig hadden. HTS-materialen kunnen worden gekoeld met vloeibare stikstof, een stof die ongeveer even duur is als melk en overal ter wereld makkelijk te maken is. Dat verschil tussen 'bijna onbetaalbaar koelen' en 'redelijk betaalbaar koelen' is de reden waarom hoge-temperatuursupergeleiding al decennia een serieus onderzoeksveld is.
Wat is het precies?
Elk supergeleidend materiaal heeft een kritische temperatuur (Tc): de temperatuur waaronder de elektrische weerstand exact nul wordt, in plaats van alleen maar klein. Boven die temperatuur gedraagt het materiaal zich als een gewone, min of meer slecht geleidende stof. Eronder verandert er iets fundamenteels in de manier waarop elektronen zich door het materiaal bewegen.
Bij klassieke, 'lage-temperatuur' supergeleiders (ontdekt vanaf 1911) is dat gedrag goed begrepen dankzij de BCS-theorie uit 1957, genoemd naar de natuurkundigen Bardeen, Cooper en Schrieffer. Zij lieten zien dat elektronen onder de kritische temperatuur via trillingen in het kristalrooster (fononen) aan elkaar gekoppeld raken tot zogeheten Cooper-paren. Zo'n paar elektronen ondervindt geen weerstand meer, omdat het niet langer individueel kan botsen met het rooster.
Het lastige is dat de meeste hoge-temperatuursupergeleiders, zoals de zogeheten cuprate-materialen (keramische verbindingen met koperoxide-lagen), zich niet goed laten verklaren met deze klassieke theorie. Er ontstaan wel Cooper-paren, maar hoe en waarom dat bij zulke relatief hoge temperaturen gebeurt, is na bijna veertig jaar onderzoek nog altijd niet volledig opgehelderd. Dit 'mechanisme van onconventionele supergeleiding' is een van de grote openstaande vragen in de vastestoffysica.
Een ander kenmerkend verschijnsel is het Meissner-effect, ontdekt in 1933: een supergeleider duwt magnetische veldlijnen actief uit zijn binnenste. Dat is de reden waarom een magneet boven een supergeleider kan blijven zweven, een demonstratie die vaak wordt getoond als 'bewijs' van supergeleiding.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel: elektriciteit opwekken, transporteren en gebruiken zonder de energieverliezen die nu overal in het net optreden. Een supergeleidende kabel kan bij gelijke dikte veel meer stroom vervoeren dan een koperen kabel, zonder warmteverlies en zonder dat er dure koeling met vloeibaar helium nodig is.
Daarnaast maken HTS-materialen het mogelijk om zeer sterke magneetvelden op te wekken in een compacte spoel, omdat er geen limiet is aan hoe lang de stroom kan blijven circuleren zonder dat het materiaal opwarmt. Dat is precies wat je nodig hebt voor scanners in ziekenhuizen (MRI), deeltjesversnellers, en - relatief nieuw - compacte kernfusiereactoren, waar sterke magneten het superhete plasma op zijn plek moeten houden.
Verder wordt gekeken naar lichtere elektromotoren en generatoren (belangrijk voor bijvoorbeeld windturbines en elektrische vliegtuigen), energieopslag in supergeleidende spoelen, en 'stroombegrenzers' die een net automatisch beschermen tegen kortsluitpieken. De gemeenschappelijke belofte is: minder verlies, meer vermogen per kilogram materiaal.
Voorbeelden uit de praktijk
De doorbraak kwam in 1986, toen Georg Bednorz en Alex Müller bij IBM in Zürich supergeleiding aantoonden in een keramisch lanthaan-barium-koperoxide bij ongeveer -240°C - hoog voor die tijd. Dit leverde hen al in 1987 de Nobelprijs Natuurkunde op, ongewoon snel voor een wetenschappelijke ontdekking. Nog datzelfde jaar vonden onderzoekers onder wie Paul Chu en Maw-Kuen Wu het materiaal YBCO (yttrium-barium-koperoxide), met een kritische temperatuur ruim boven het kookpunt van vloeibare stikstof. Dat maakte koeling ineens praktisch betaalbaar.
In 2014 legden het Duitse energiebedrijf RWE, kabelfabrikant Nexans en het Karlsruhe Institute of Technology in de stad Essen een ongeveer een kilometer lange HTS-kabel aan (het AmpaCity-project), die een oude hoogspanningsverbinding in de binnenstad verving door een compactere, ondergrondse middenspanningskabel.
China investeert stevig in dit soort demonstratieprojecten: rond 2021 nam het Chinese staatsnetbedrijf in Shanghai een supergeleidende stroomkabel van ruim een kilometer in gebruik, destijds een van de langste ter wereld in een stedelijk net.
Een van de meest veelbelovende toepassingen op dit moment is kernfusie. Het Amerikaanse bedrijf Commonwealth Fusion Systems, een spin-off van het MIT, gebruikt tape van het HTS-materiaal REBCO om extreem sterke magneten te bouwen voor zijn SPARC-fusiereactor in aanbouw in Massachusetts. In 2021 testte het bedrijf een magneet die een recordveldsterkte haalde, wat volgens het team aantoonde dat compactere fusiereactoren dan voorheen mogelijk zijn.
Niet elk verhaal in dit veld is een succesverhaal. In juli 2023 zorgde een Zuid-Koreaans onderzoeksteam wereldwijd voor ophef met de claim dat het materiaal 'LK-99' bij kamertemperatuur en gewone luchtdruk zou supergeleiden - iets wat, als het klopte, de hele energie-industrie op zijn kop zou zetten. Laboratoria over de hele wereld probeerden het resultaat te herhalen, maar konden geen echte supergeleiding bevestigen; de gemeten effecten bleken andere, bekende oorzaken te hebben. Het is een nuttige les over hoe voorzichtig je met spectaculaire claims moet omgaan.
Hoe ver is de techniek?
HTS-draad en -tape zijn inmiddels commercieel verkrijgbaar en worden al gebruikt in specialistische toepassingen zoals krachtige onderzoeksmagneten en enkele proefkabels in stroomnetten. Voor grootschalig gebruik in het gewone elektriciteitsnet is de techniek echter nog te duur: HTS-materiaal kost per meter aanzienlijk meer dan koper, en de koelinstallaties die erbij horen maken een kabeltraject complexer om aan te leggen en te onderhouden dan een gewone ondergrondse kabel.
De grootste kortetermijnkans ligt bij kernfusie, waar de extra kosten van HTS-magneten worden goedgemaakt doordat reactoren kleiner en dus goedkoper gebouwd kunnen worden. Projecten als SPARC moeten in de loop van dit decennium laten zien of dat principe ook in de praktijk werkt.
Los van engineering blijft er ook een fundamenteel probleem: zonder een volledig begrip van het onderliggende mechanisme is het voor natuurkundigen lastig om gericht te zoeken naar materialen met een nog hogere kritische temperatuur. Een deel van het onderzoek gebeurt daarom met waterstofrijke verbindingen onder extreem hoge druk - vergelijkbaar met de druk diep in de aarde - waarbij vanaf ongeveer 2015 stoffen zoals zwavelwaterstof en lanthaanhydride supergeleiding lieten zien bij temperaturen die dicht bij 0°C kwamen. Dat is wetenschappelijk belangrijk nieuws, maar zulke hoge drukken zijn met de huidige technieken alleen in kleine laboratoriumopstellingen te realiseren, niet in een kabel of magneet.
Dit deel van het veld kreeg de afgelopen jaren ook te maken met controverse: een veelbesproken Amerikaanse onderzoeksgroep publiceerde in 2020 en 2023 in het tijdschrift Nature twee claims over supergeleiding bij kamertemperatuur, die beide later na kritiek van andere wetenschappers zijn ingetrokken. Een echte, praktisch bruikbare kamertemperatuursupergeleider bij normale druk is tot op heden niet overtuigend aangetoond.
Wie werken eraan?
Op het gebied van materiaalonderzoek zijn instituten als het Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart en het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland al decennia toonaangevend, samen met universiteiten in de Verenigde Staten, Japan en China. IBM's onderzoekslab in Zürich blijft historisch relevant als de plek waar het HTS-onderzoek begon.
Voor de productie van bruikbaar HTS-draad en -tape zijn bedrijven als American Superconductor (AMSC, Verenigde Staten), en de Japanse elektronicaconcerns Sumitomo Electric en Fujikura actief, terwijl het Duitse Bruker gespecialiseerde supergeleidende magneten bouwt voor onder meer medische scanners. In de fusie-industrie is Commonwealth Fusion Systems een van de bedrijven die het verst zijn met HTS-magneten.
Op landenniveau investeert China zwaar in supergeleidende infrastructuur via het staatsnetbedrijf State Grid, terwijl de Verenigde Staten en de Europese Unie fusie- en materiaalonderzoek financieren via onder meer nationale laboratoria en onderzoeksprogramma's. Ook onderzoekscentra als CERN volgen de ontwikkelingen op de voet, al gebruiken hun huidige deeltjesversnellers voornamelijk de oudere, lage-temperatuur supergeleiders.