Superleiar: Teknologisk status 10 år etter oppdaginga.
Av Kristian Fossheim
Professor i fysikk, NTNU

Innleiing

Som mange vil vite er det i år 10 år sidan forskarane K.A. Müller og J. G. Bednorz ved IBM Research Lab i Zurich oppdaga superkonduktivitet i oksid-keram. I rask rekkefølgje følgde så syntetisering av ei rad substansar med liknande eigenskapar. Desse materiala har det til felles at dei inneheld tilnærma planare strukturar av grunnstoffa kopar og oksygen. Dei fekk namnet "høgtemperatur superleiar", eller "høg-T_c-material" fordi det vart funne samansetningar som var superleiande over kokepunktet for nitrogen, dvs over 77 grader kelvin, eller -196 grader celsius. Den enorme interessen som vart synt verda over for desse materiala, skuldast først og fremst at ein nå såg for seg utvida bruk av superleiarteknologi ved langt høgare temperaturar enn tidlegare, og dermed billegare og enklare bruksmåte. Kjøling kunne nå utførast i flytande nitrogen, i staden for den langt dyrare kryogeniske væska flytande helium som blir brukt får å halde låg-T_c material superleiande.

To klassar av superleiarteknologi

A. Teknologiar der det grunnleggande konseptet i hovudsak er det same for både konvensjonell og superleiande teknologi, men bruken av superleiar gir økonomiske og tekniske fordeler.

B. Konseptuelt nye teknologiar, utan parallell ved bruk av konvensjonelle material.

Til dømes vil i mange tilfeller introduksjon av superleiarteknologi bety å bytte ut eksisterande konvensjonelle elektrotekniske innretningar som kablar, magnetar og maskinar med energisparande teknikk basert på superleiar. Det vesentlege er her altså redusert energitap og reduksjon i vekt og volum p.g.a tilnærma null elektrisk motstand i superleiaren. Dei fleste sterkstraum-anvendelsar av superleiar høyrer heime i denne kategorien (A ovanfor). Eit godt eksempel på dette er magnetar, som i dag er viktigaste bruksområdet for superleiar. Her er energivinsten formidabel i store magnetar. På den andre sida gir same teknikk høve til å lagre energi som dissipasjonsfri straum som kan tappast ut når behovet er der. Denne teknikken har ingen klassisk motpart sidan straum ikkje kan lagrast ved bruk av vanlege metall i spolane. Brukt på denne måten blir dette ei konseptuell ny lagringsform for energi, altså kategori B ovanfor.

Men ofte vil kategorien B av superleiarteknikk baserer seg på ennå meir subtile eigenskapar enn null motstand, slike som kvante-tunnellering av ladningsberarane, og kvanteinterferens. Eit godt døme på konseptuell ny tekologi av denne typen er små magnetfelt-detektorar, kalla SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) framstilte ved mikroteknologiske metodar. Denne kvanteinterferometriske teknikken er berre realiserbar ved bruk av superleiar. Den utgjer den suverent mest følsame deteksjon og måling av magnetfelt som er tilgjengeleg, heilt ned til dei ultrasvake magnetfelt vi genererer ved tankeprosessar i hjernen. SQUID er i dag i vidtrakt bruk på ei rekke områder frå medisin og vitskap til geologisk malmleiting og tektonikk. Det er også dei same underliggande kvantefenomena som nå legg grunnlaget for ein ny måleteknisk standard for straum og spenning.

Høg-T_c utfordringa

• elektronikk
• energi
• transport
• medisin og vitskap
• prosessindustri

Vyene for superleiarteknologi blir fort enorme på dei områder der teknikken kan vise seg kostnadseffektiv og tilfredsstille kravs-spesifikasjonane. Arbeidet med å utvikle materiala, materialteknikkane og dei tekniske innretningane som skal verkeleggjere teknologien for høg-T_c materiala, har nå gått føre seg på brei front i 9 år.(Barrieren ved 77 K først vart passert i 1987, eitt år etter oppdaginga av dei første høg-T_c materiala). Mange meiner nok at dette er lang tid, og at resultata skulle foreligge nå. Men dette er ikkje i samsvar med realistisk industriell utvikling slik vi kjenner den frå mange andre forskingstunge områder. Ein bør ikkje vente at utviklinga i dette feltet skal gå raskare enn det som har vore vanleg i industrien. 15-20 år er vanlege og rimelege tidsrammer for industrialisering av grunnleggande oppdagingar. Faktum er at utviklinga i feltet har gått raskare enn vanleg, sidan det alt etter 9 års innsats fins kommersielle produkt på marknaden, og fleire andre er nære på. Utviklinga vil nå skyte fart. Det er god grunn for norsk industri og teknologi til å ta seg ad notam det som nå skjer. Det er ikkje lenger eit spørsmål om høg-Tc superleiarne blir industrielt og teknologisk viktige, spørsmålet er når, og i kva rekkjefølgje. For norske industriar som tenker langsiktig, er det på høg tid å ta denne utviklinga med i biletet.

Det fins knapt noko felt der norsk haldning til høgteknologisk industriutvikling vil bli sett på ein betre prøve enn i dette feltet. Dette er eit område der norsk industri pr i dag ikkje er involvert i det heile. Skal så Norge ta steget inn blant dei land som aktivt deltar i den teknologiske og industrielle utviklinga i dette spennande feltet? Det vil i så fall trengast langsiktige strategiar, både hjå styresmaktene ved Næringsdepartementet, og i industrien. I dei langsiktige strategiane må det også skaffast finansiering. Det er ironisk, og eit alvorleg problem at det i eit rikt land som vårt skal vere så vanskeleg å oppdrive tålmodig kapital.

I det følgjande skal eg gje eit oversyn over dei viktigast trekk i den utviklinga som er i gang. Når det gjeld dei marknadsmessige utsiktene blir det her ikkje gjort eit skilje mellom såkalla høg-T_c og låg-T_c produkt i dei analysar eg stør meg til.

Basert på estimat frå dei industribedrifter som sjølv planlegg å bruke teknologien (CONECTUS-organisasjonen der slike konsern som Siemens, Ericsson, Thomson, Pirelli, etc er medlemmer) ser framtida slik ut:

• I eit tidsperspektiv fram til 2005-2010 vil superleiarteknologi nå fram til marknaden på alle områder som er lista opp ovanfor. Med unntak for området transport, vil det eksitere fleire ulike anvendelsar innan kvart område.
• Innan elektronikk vil den globale marknaden utgjere Nkr 13 milliardar alt ved år 2000.
• Den totale verdsmarknaden omgjort til norske kroner er venta å utgjere Nkr 165 milliardar ved år 2010, og nær 800 milliardar ved år 2020.

Estimatet er sjølvsagt usikkert, men er det beste vi har i dag. Det viktige er at desse seriøse aktørane har veldige forventningar til den vidare utviklinga. Det set også i klart relieff den tilsvarande svake satsing innan feltet i Norge. I estimatet er det ikkje gjort skilnad på høg-Tc og låg-Tc teknologi. Dette skiljet vil også bli mindre og mindre markert med tida, ettersom nye kjøleteknikkar vil gjere det enklare å operere ved vilkårlege temperaturar i området ned mot det absolutte nullpunkt, og opptil dei høgste temperaturar for superleiing. Det dominerande bidraget vil komme frå høg-Tc material, men i enkelte tilfeller brukt ved temperaturar under 77 K.

La oss så ta for oss eksempel på utvikling som nå skjer innan dei hovudområda vi lista opp ovanfor.

Elektronikk

Elektronikk og sensorar vil vere det første området der gjennomslaget kjem. I vårt land er vi store brukarar av mobiltelefon. Det er nettopp i dette området vidstrakt bruk av høgtemperatur superleiar først kan ventast å komme. For vanleg tale krevst det overføringsrater på 8-30 kb/s. Men i tillegg kjem andre meir krevjande oppgåver som videokonferansar (500 kb/s) og eit universalsystem for mobilkommunikasjon med overføringsrater på opp til 2 Mb/s. Ein mobiltelefonbrukar kommuniserer med bakkestasjon som både er ein svært følsam mottakar for tale inn, og ein kraftig sendar som transmitterer signalet vidare ut til den andre part i samtalen. Stasjonane blir konfrontert med eit uhyre komplekst signal- scenario med samtidig kommunikasjon over ei rekke kanalar. På mottakarsida skal signalet filtrerast ut frå uønska støy av mange slag. På sendarsida skal alle dei ulike berefrekvensane bruke ei felles antenne for signal ut. Dei individuelle frekvenskanalane må ha ein skarp frekvens og ikkje overlappe. Dei blir skapte av smalband filter med skarpe flankar som kan handtere 5-30 watt transmittert signal. Til desse filtera ventar ein at høgtemperatur superleiande tynnfilm vil bli brukte, som første store anvendelse i kommunikasjonsteknologi. I tillegg til det som er nemnt, vil denne teknologien tillate intelligente antennesytem som justerer sin retningssensitivitet til det radiofekvensscenario den til kvar tid opplever. I slike komplekse system vil superleiarteknologi vere omtrent einaste praktiske løysinga fordi systemet elles ville bli for stort reint fysisk. I tillegg arbeider dei med smalare bandbreidde enn noko anna system.

På andre områder av elektronikk er ulike framstøytar i gang innan både passive og aktive komponentar for eletronisk anvendelse av høgtemperatur superleiar. Kommunikasjon er eit hovudområde.

Energi

Pirelli og American Superconductor annonserer at dei har produsert ein 50 meter lang kabel av høgtemperatur superleiar, framstilt ved fullskala industrielle metodar. Kabelen kan føre ein straumstyrke på 1800 ampere likestraum, i flytande nitrogen. Kabelen er ein prototype for 115 kV system, og er utvikla under ein kontrakt med Electric Power Research Institute og Department of Energy. Ennå om det for mange anvendelsar av høgtemperatur superleiar er eit problem at kritisk straumstyrke degraderer i sterke magnetfelt, er dette eit langt mindre problem når feltet berre er sjølvfeltet (skapt berre av straumen i tråden sjølv), slik som i ein rett kabel. Denne feltstyrken er låg nok ( typisk 0.2 tesla) til at det er realistisk å tru på suksess for energitransport i høgtemperatur superleiar. Første bruksområde er venta å bli utbytting av eksisterande kablar under gatene i storbyane. Poenget er her at der rett og slett ikkje er nok plass til konvensjonelle kablar i eksisterande kanalar under bygatene i storbyar som Tokyo. Ny teknologi må inn.

Asea Brown Boweri (ABB) og American Superconductor har samarbeidd om å utvikle ein prototype transformator som om kort tid skal settast inn på kraftnettet i Sveits.

I Japan har det blitt gjort interessante framsteg innan magnetisk levitasjon ved magnetisering av høgtemperatur superleiar. Eit mål er å bygge små energilagringssystem der ein roterande masse svevar med minimal friksjon. Ein har kome opp i langt over 40 000 rpm ved bruk av superleiande lager. Også materialteknisk har det skjedd viktig utvikling av nye samansettingar nyleg.

Transport

Den viktigaste utviklinga her vil vere den forventa bruken av superleiande magnetar til å levitere (løfte) tog til svevande stilling over skinnegangen for å kunne frakte passasjerar mellom tettfolka områder med ein fart på over 500 km/t. Konkret planlegging av ein slik togstrekning er i gang mellom Tokyo og Osaka i Japan. Det er ennå ikkje avgjort om det skal satsast på lågtemperatur eller høgtemperatur superleiar. I Japansk forsking arbeider ein mot begge mål. Ved bruk av lågtemperatur superleiande spolar er teknikken alt utprøvd. I tillegg er framgangen for høgtemperatur superleiar svært lovande. Innan transportområdet vil elles den kommunikasjonsteknologien som er omtala ovanfor vere eit potensielt viktig område.

Medisin og vitskap

Eit viktig område er sensor/elektronikk området, nemleg høgtemperatur SQUID som vart nemnt ovanfor. Det er etter alt å dømme berre spørsmål om kort tid før einkanal og mangekanal sensorar av denne typen kan supplere dagens medisinske elektrokardiogram (EKG) med eit langt meir avansert magnetokardiogram (MKG). Hjartet sender ikkje berre ut eit tidsvarierande elektrisk signal gjennom sin arbeidssyklus, men også magnetiske signal som varierer i rom og tid. Med høgtemperatur superleiar sensorar kan ein nå kartlegge både tidsvariasjonane og dei romlege variasjonane i desse signala ved å plassere ei rekke av SQUID- sensorar over brystkassa til pasienten. Detaljerte kotediagram over magnetfeltsyrken i hjartesignala kan teiknast ut for eit kvart tidspunkt på hjarteslagskurva. Dette opnar naturlegvis store muligheiter for detaljert diagnostisering, lang utover det vi har i dag. Og ennå om desse sensorane er så følsomme at dei kan fange opp allslags magnetisk støy frå omgjevnadane, er det demonstrert metodar for å filtrere bort denne støyen frå det interessante signalet sjølv i uskjerma omgivelsar. Det er rimeleg å tru at slike system om få år vil vere i vidstakt bruk ved sjukehusa, og ved større legekontor. Ei rekke laboratoria nærmar seg kommersiell kvalitet med utstyr av denne typen.

Det er nå ein knivskarp konkurranse i gang mellom fleire produsentar av superleiar-tape om å kome på marknaden med magnetar framstilt av høg-T_c material. Stadig vekk blir det annonsert nye rekordar. Dei amerikanske selskapa American Superconductor og Intermagnetics General Co kjempar med japanske Sumitomo. For tida er Sumitomo i leiinga med ein magnet på 4 tesla. Men dette er ved 4.2 kelvin. Dei amerikanske selskapa har nådd 2.7 tesla ved 27 kelvin. Her er det viktig å merke seg at også kryogenikken blir utvikla parallelt. Det blir meir og meir vanleg å operere med lukka kryogeniske system der gassen blir kontinuerleg resirkulert. Dermed kan systemet opererast ved den optimale temperaturen for systemet. Kokepunktet for dei kryogeniske væskene er ikkje lenger så avgjerande.

Farmasøytisk og kjemisk industri

Conductus Inc. og Varian Associates, det første eit superleiarteknologifirma, og det andre eit velrennomert firma innan magnetisk resonans (NMR), begge lokalisert i California, har nyleg annonsert ein ny type radiofrekvens-spole for bruk i NMR, framstilt av høgtemperatur superleiaren YBCO. Den nye spolen aukar sensitiviteten i NMR-analyse av farmasøytiske og andre kjemiske produkt. Den gjer det mogeleg å analysere mykje mindre mengder av nye produkt, av biprodukt og av metabolske prøver som er vanskelege og dyre å skaffe. I tillegg blir analysetida redusert med ein faktor på 16. Dette framsteget blir karakterisert som eineståande i NMR teknikkens historie.

Ei gruppe i Huston, Texas rapporterer utvikling av høgtemperatur superleiarspolar for bruk innan romleg høgoppløysings magnetisk resonansavbilding (MRI) i studiet av sentralnervesystemet, hittil demonstrert i undersøkelsar av skader på ryggmargen i små dyr. Betydeleg forbetring av signal-til-støy forholdet blir demonstrert med superleiarteknikk.

Sluttkommentar

Det ville vere ein rimeleg tanke at norsk industri skulle ha ambisjonar om å vere meir enn ein passiv kjøpar og brukar av høg-T_c produkt i framtida, og framstå som ein aktiv deltakar i utvikling av nye idear og nye produkt. Ved NTH har vi utdanna eit 15-tals doktorandar i feltet. Den nasjonale kunnskapsbasen fins altså om ein ynskjer å kombinere kunnskapane vi har opparbeidd innan materialforsking og materialteknologi for superleiar med eksisterande teknologisk ekspertise innan kommunikasjon, kraftforsyning, medisin, kryogenikk etc. Det største problemet er tålmodig kapital. Denne kan berre skaffast dersom det er vilje til strategisk tenking for framtidig innovasjon i både offentleg og privat sektor. Så lenge dagskursen på Oslo Børs utgjer den viktigast evalueringa av kva som er god industrisatsing for framtida, er det stor fare for at Norge vil bli verande utanfor kretsen av høgtknologiske industri- og produsentland innan dette framtidsretta området.

Etter mitt skjøn ville tida nå vere inne til å opprette eit najonalt senter for superleiarteknologi ved NTNU/SINTEF, som basis for den industrielle utvikling som bør komme i vårt land. Igjen ligg våre nordiske naboland føre oss i satsing på framtidsretta forsking. Det var i si tid NTH ved underteikna som samla det nordiske miljøet innan både grunnforsking og teknologi for første gong. Dette førde til ei samling om eit nordisk program for anvendt superleiarforsking (NORPAS-programmet). Men Norge har nå meldt seg ut, akkurat då vi ser dei klare konturane av gjennombrot for høg-T_c teknologi. Somme vil seie at dette er det vanlege i Norge. Samtidig ser vi at våre granneland satsar vidare. Miljøet i Trondheim har i dag omfattande kompetanse og nære kontakter i eit eineståande internasjonalt nettverk innan grunnforsking og teknologi i feltet. Kan det vere mogeleg at Norge har råd til å forskusle dei muligheiter som ligg her? Behovet for nye initiativ for norsk industri er nettopp blitt understreka av Næringsdepartementets nasjonale innovasjonsutval med Tovild Aakvaag som formann. Karakteristisk nok viser statistikken at norsk innstats innan superleiarforsking ligg på under 1/10-del pr innbyggar samanlikna med USA og Japan. Ein kan spørje seg om det er dette som skal bidra til å gjere Norge til høgteknologisk produsentland slik Aakvaag-utvalets analyse av situasjonen krev.