08.08.2022 - University of Nevada

Niedriger Druck, hohe Einsätze: UNLV-Physiker machen große Fortschritte im Wettlauf um die Supraleitung bei Raumtemperatur

Neu veröffentlichte Forschungsergebnisse bauen auf der bahnbrechenden Entdeckung eines Raumtemperatur-Supraleiters durch das Team im Jahr 2020 auf, indem sie die Ergebnisse mit noch größerer Effizienz wiederholen

Weniger als zwei Jahre nach der schockierenden Entdeckung eines Materials, das bei Raumtemperatur supraleitfähig ist, hat ein Team von UNLV-Physikern 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, ein 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 nur in der Natur 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 ein Drittel des ursprünglich angegebenen Drucks.

Eine 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 niedrigeren Drücken zu erreichen - was unser ultimatives Ziel ist", sagte der Hauptautor der Studie, Gregory Alexander Smith, ein Doktorand am Nevada Extreme Conditions Laboratory (NEXCL) der UNLV. "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 NEXCL 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", sagte er. "Diese Technologie könnte das eines Tages möglich machen".

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