Lage sprongpunten

Enkele jaren daarvoor slaagde Kamerlingh Onnes (1853 – 1926) te Leiden erin om heliumgas vloeibaar te maken. Helium is van uitzonderlijk belang voor het onderzoek bij zeer lage temperaturen, omdat het de enige stof is die in de buurt van het absolute nulpunt als een vloeistof voorkomt. Elk materiaal kan tot 4,2 K afgekoeld worden door het simpelweg in vloeibaar helium onder te dompelen. De temperatuur waarbij een metaal supergeleidend wordt, noemt men het sprongpunt. Bij zulke extreem lage temperaturen vertonen de materialen ongewone eigenschappen. Vele metalen en legeringen worden dan supergeleidend. Hun elektrische weerstand verdwijnt bij afkoeling plotseling volledig. Kamerlingh Onnes stelde dit vast voor kwik bij 4,15 K. Andere stoffen zoals aluminium bijvoorbeeld worden supergeleidend bij 1,20 K, lood bij 7,19 K en zink bij 0,87 K. Opmerkelijk is wel dat supergeleiding niet optreedt bij de edele metalen zoals koper, zilver en goud en evenmin bij de ferromagnetische metalen zoals ijzer, nikkel en kobalt. Een duizendtal metaalverbindingen en legeringen bezitten hogere sprongpunten dan de metalen zelf. Lange tijd is het sprongpunt maximaal 23 K geweest. In 1986 doorbraken Georg Bednorz en Alex Müller deze grens met een legering van lanthaan, barium en koperoxide. Het sprongpunt kwam op 30 K. Ze kregen hiervoor de Nobelprijs van natuurkunde van 1987.

De grote doorbraak

In 1987 vonden onderzoekers van de universiteit van Houston een keramische samenstelling die al bij min 175 graden Celsius supergeleidend is. Het grote voordeel is dat supergeleiders niet meer met vloeibaar helium gekoeld hoeven te worden. Voortaan volstaat vloeibaar stikstof (kookpunt min 196 graad Celsius). Een liter vloeibare stikstof is duizend keer goedkoper dan een liter vloeibare helium. In hun euforie dachten wetenschappers aan een aantal toepassingen zoals energietransport zonder warmteverlies in supergeleidende kabels, supersterke magneten en zuinige elektromotoren. Na meer dan tien jaar onderzoek zijn de eerste toepassingen van hogetemperatuursupergeleiding er eindelijk.

Stug en broos

Voor je supergeleidende magneten kunt maken is er materiaal nodig waarmee je op industriële schaal draden, stroken en films kunt van maken. Bij keramische materialen is dat uiterst moeilijk. Ze zijn stug en bros en meestal chemisch instabiel. De vervaardiging van de supergeleidende kabel is een langdurig procédé. Eerst worden korreltjes supergeleidende keramiek in een zilveren strip gespoten, om te voorkomen dat ze met lucht reageren. Om een bundeltje strips komt een zilveren omhulling die men daarna aanstampt, rolt en uitrekt. Dan wordt alles drie keer in een oven gebakken, om er één supergeleidende strook van te maken. De stroken wikkelt men om een flexibele buis, waardoor vloeibaar stikstof wordt gepompt. Een aantal van die kabels krijgen een isolerende buitenmantel, waardoor ook weer vloeibaar stikstof stroomt. De supergeleidende kabel kan tot vijf keer meer stroom doorlaten dan een gewone kabel en de spanning blijft laag over de draad.

Zekering

Eén toepassing is een zekering voor hoge stromen. Strookjes yttrium-barium-koperoxide, aangebracht op keramische plaatjes, worden met vloeibare stikstof net in supergeleidende toestand gebracht. Dan is de weerstand van de zekering nul. Bij kortsluiting ontstaat er een stroom van zo’n zestigduizend Ampère en komen de plaatjes in een fractie van een seconde in een normaal geleidende toestand. De hoge weerstand van de strookjes onderbreekt de stroom.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 5 uit de jaargang 2000 van het blad Archimedes.