Niedriger Druck und hohe Einsätze
Ein Team von Physikern des Nevada Extreme Conditions Lab (NEXCL) der University of Nevada (UNLV) in Santa Fé hat, aufbauend auf seiner bahnbrechenden Entdeckung eines Raumtemperatur-Supraleiters im Jahr 2020 die Ergebnisse mit noch größerer Effizienz wiederholt. Die Wissenschaftler verwendeten eine Diamant-Ambosszelle um den Druck zu senken, der für die Beobachtung eines Materials erforderlich ist, das bei Raumtemperatur supraleitfähig ist.
Diamant-Ambosszelle – Grafik © wikipedia.org, wikipediacommons, aac Anvil72-FR
Weniger als zwei Jahre nachdem ein Team von UNLV-Physikern die Welt der Wissenschaft mit der Entdeckung eines Materials aufgeschreckt hat, das bei Raumtemperatur supraleitfähig ist, hat es die Messlatte noch einmal höher gelegt, indem es dieses Kunststück bei dem niedrigsten jemals gemessenen Druck wiederholte. Mit anderen Worten: Die Wissenschaft ist einem brauchbaren, reproduzierbaren Material, das eines Tages die Art des Energietransports revolutionieren könnte, näher als je zuvor.
Der UNLV-Physiker Ashkan Salamat und sein Kollege Ranga Dias, Physiker der University of Rochester, sorgten 2020 für internationale Schlagzeilen, als sie zum ersten Mal Supraleitung bei Raumtemperatur nachwiesen. Um dieses Kunststück zu vollbringen, haben die Wissenschaftler eine Mischung aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff zunächst in einen metallischen Zustand und dann unter extremem Druck – 267 Gigapascal – in einen supraleitenden Zustand bei Raumtemperatur gebracht, wie man ihn in der Natur nur nahe dem Erdmittelpunkt findet.
Nach weniger als zwei Jahren ist das Team nun in der Lage, dieses Kunststück bei nur 91 GPa zu vollbringen – etwa einem Drittel des ursprünglich angegebenen Drucks.
Super-Entdeckung
Durch eine detaillierte Abstimmung der Zusammensetzung von Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff, die für den ursprünglichen Durchbruch verwendet wurde, sind die Wissenschaftler in der Lage, ein Material bei einem niedrigeren Druck herzustellen, das seinen Zustand der Supraleitfähigkeit beibehält.
„Dies sind Drücke, die außerhalb des Labors nur schwer zu verstehen und zu bewerten sind, aber unser derzeitiger Weg zeigt, dass es möglich ist, relativ hohe supraleitende Temperaturen bei gleichbleibend niedrigen Drücken zu erreichen – unser ultimatives Ziel -„, sagte der Hauptautor der Studie, Gregory Alexander Smith, Doktorand am NEXCL. „Wenn wir Geräte herstellen wollen, die für die Gesellschaft von Nutzen sind, müssen wir den Druck, der für ihre Herstellung erforderlich ist, reduzieren.“
Obwohl der Druck immer noch hoch ist – etwa tausendmal höher als auf dem Grund des Marianengrabens im Pazifik – wird weiter auf das Ziel hingearbeitet, den Druck fast auf Null zu reduzieren. Dieser Wettlauf gewinnt an der UNLV exponentiell an Fahrt, da die Wissenschaftler die chemische Beziehung zwischen Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff, aus denen das Material besteht, immer besser verstehen.
„Unser Wissen über die Beziehung zwischen Kohlenstoff und Schwefel macht rasante Fortschritte, und wir finden Verhältnisse, die zu bemerkenswert anderen und effizienteren Reaktionen führen als das, was ursprünglich beobachtet wurde“, so Salamat, der das der UNLV leitet und an der jüngsten Studie mitgewirkt hat. „Die Beobachtung so unterschiedlicher Phänomene in einem ähnlichen System zeigt den Reichtum von Mutter Natur. Es gibt noch so viel mehr zu verstehen, und jeder neue Fortschritt bringt uns näher an den Abgrund der alltäglichen supraleitenden Geräte.“
Der Heilige Gral der Energieeffizienz
Supraleitung ist ein bemerkenswertes Phänomen, das erstmals vor mehr als einem Jahrhundert beobachtet wurde, allerdings nur bei bemerkenswert niedrigen Temperaturen, die jeden Gedanken an eine praktische Anwendung verhinderten. Erst in den 1960er Jahren stellten Wissenschaftler die Theorie auf, dass dieses Kunststück auch bei höheren Temperaturen möglich sein könnte. Die Entdeckung eines Supraleiters bei Raumtemperatur durch Salamat und Kollegen im Jahr 2020 hat die wissenschaftliche Welt in Aufregung versetzt, auch weil diese Technologie einen elektrischen Fluss mit Null-Widerstand unterstützt, was bedeutet, dass Energie in einem Stromkreis unendlich lange und ohne Leistungsverlust geleitet werden kann. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf die Energiespeicherung und -übertragung haben und von besseren Handy-Batterien bis hin zu einem effizienteren Energienetz reichen.
„Die globale Energiekrise zeigt keine Anzeichen einer Verlangsamung, und die Kosten steigen zum Teil aufgrund eines US-Energienetzes, das aufgrund der Ineffizienz der derzeitigen Technologie jährlich etwa 30 Milliarden Dollar verliert“, sagte Salamat. „Wenn wir einen gesellschaftlichen Wandel herbeiführen wollen, müssen wir mit der Technologie vorangehen, und die Arbeit, die heute geleistet wird, ist meines Erachtens ein Vorreiter für die Lösungen von morgen“.
Laut Salamat können die Eigenschaften von Supraleitern eine neue Generation von Materialien unterstützen, die die Energieinfrastruktur in den USA und darüber hinaus grundlegend verändern könnten. „Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Energie in Nevada nutzen und sie ohne Energieverlust durch das ganze Land schicken. Diese Technologie könnte das eines Tages möglich machen.“
->Quellen:
- unlv.edu/low-pressure-high-stakes-unlv-physicists-make-major-gains-race-room-temperature
- Originalveröffentlichung: G. Alexander Smith, Ines E. Collings, Elliot Snider, Dean Smith, Sylvain Petitgirard, Jesse S. Smith, Melanie White, Elyse Jones, Paul Ellison, Keith V. Lawler, Ranga P. Dias and Ashkan Salamat: Carbon content drives high temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride below 100 GPa, in: Chemical Communications – pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cc/d2cc03170a/unauth