Framtiden: Kraften blir superledende

Den neste elektromagnetiske revolusjonen er allerede i gang. Snart blir elbiler ladet opp i veibanen og strøm sendt trådløst til taklampene dine, mens nye høytemperatursuperledere vil gi kloden uendelig energi.

Den neste elektromagnetiske revolusjonen er allerede i gang. Snart blir elbiler ladet opp i veibanen og strøm sendt trådløst til taklampene dine, mens nye høytemperatursuperledere vil gi kloden uendelig energi.

Hyperloop TT

Like varm som solens kjerne – det målet oppnådde fysikerne på Tokamak Energy i juni 2018, da de fikk temperaturen i kulereaktoren opp til 15 millioner grader.

Reaktoren etterligner prosessene i solen ved å fusjonere hydrogen til helium.

Men de britiske fysikerne er ikke fornøyd med å bare etterligne stjernen vår – de vil overgå den.

Etter planen skal reaktorens temperatur i 2020 nå opp til 100 millioner °C, noe som for alvor vil sette i gang fusjonsprosessene og på sikt skape en uuttømmelig energikilde.

Forutsetningen for å kunne skape så høye temperaturer ligger i prinsippet om superledning – elektromagnetisme uten motstand.

Hittil har superledning bare blitt utnyttet i begrenset omfang, for eksempel i MR-skannere, men med nye materialer som kan avkjøles med billig flytende nitrogen, synes potensialet uendelig.

Hyperloop glir uten motstand

Mens kulereaktoren fortsatt er på forsøksstadiet og antagelig ikke kommer i drift før i 2030, er andre deler av «den andre elektromagnetiske revolusjonen» allerede i gang.

Med en fart på 430 km/t transporter verdens raskeste tog daglig tusenvis av passasjerer fra Shanghais internasjonale flyplass til sentrum.

Video: Magnettog akselererer opp til 431 km/t

Siden vognene svever på magneter, er friksjonsmotstanden mellom hjul og skinner fjernet, mens vekslende magnetfelt driver toget lynraskt framover.

Magnetiske svevetog finnes også i Japan og Sør-Korea, men generelt har de problemer med å konkurrere med tradisjonelle høyhastighetstog på skinner, for eksempel det franske TGV, og fly.

Den situasjonen kan endre seg fullstendig hvis det nye konseptet Hyperloop slår igjennom.

Her farer toget gjennom et lufttomt rør slik at det ikke sinkes av luftmotstand.

Siden toget samtidig svever på magneter, vil Hyperloop kunne oppnå en svimlende hastighet på 1200 km/t.

Passasjerer vil for eksempel kunne reise fra Stockholm til Helsinki på 28 minutter, og på mellomdistanser vil Hyperloop være mye raskere enn fly fordi den normale reisetiden til og fra flyplass og bysentrum blir overflødig.

Teknologien testes nå på en 500 meter lang bane i Nevada, og i India er en kommersiell linje mellom byene Pune og Mumbai ute på anbud.

Huset blir fritt for ledninger

Ny elektromagnetisk teknologi finner også snart veien til hjemmet ditt.

Den elektriske tannbørsten din blir antagelig allerede ladet opp trådløst ved hjelp av magnetfelt, og snart kommer turen også til elbilen.

Allerede i begynnelsen av 1900-tallet drømte den serbiske fysikeren Nikola Tesla om å forsyne hjem og fabrikker med trådløs strøm.

Tesla bygget i 1902 et tårn like ved New York som skulle sende ut mikrobølger, som mottakere i hjemmene så kunne omsette til elektrisitet

Teslas tårn stod ferdig i 1904 og målte 57 meter. Tårnet, som ble bygget i Shoreham ved New York, kom imidlertid aldri i bruk og ble revet igjen i 1916.

© Wikimedia

Ifølge legenden ble prosjektet stanset fordi Teslas investorer innså at de ikke kunne sikre seg at mottakerne også betalte for strømmen.

Trådløs overføring av strøm over lange avstander vil neppe erstatte høyspentledninger, fordi energitapet vil være for stort.

Men i hjemmene kan våre elektriske apparater forsynes med trådløs strøm – for eksempel lamper, datamaskiner, fjernsyn og mobiltelefoner, slik at mobilen alltid er ladet opp når man går ut.

Prinsippet i trådløs strøm er at en sender omsetter vekselstrøm til et magnetfelt, som en mottaker fanger opp og gjør om til strøm igjen.

10,5 tesla er feltstyrken på verdens kraftigste MR-skanner.

Magnetfeltets styrke forminskes imidlertid med avstanden, og fram til for ti år siden var selv noen få centimeter uoverstigelig.

Men amerikanske forskere fra Massachusetts Institute of Technology oppdaget at energitapet minimeres når sender og mottaker vibrerer med samme frekvens, slik at det oppstår resonans.

Ved å utnytte resonansen har de klart å sende 60 watt over en avstand på to meter, mens en TV fikk strøm fra en sender en halv meter unna med et energitap på bare 30 prosent.

Det skal bli slutt på sammenfiltrede bunter av ledninger. Om noen år kan lamper, fjernsyn og mobiltelefoner lades opp med trådløs strøm i hjemmet. Samtidig lades elbilens batteri opp trådløst mens den står i garasjen.

© Mikkel Juul Jensen

Transformator øker strømmens energimengde

Vanlig vekselstrøm fra strømnettet sendes inn i en transformator som hever frekvensen. Dermed får elektrisiteten en så høy energimengde som mulig.

© Mikkel Juul Jensen

Elektrisitet omsettes til magnetfelt

Elektrisiteten fortsetter inn i en sender som omsetter strømmen fra stikkontakten til et såkalt svingende magnetfelt der polene hele tiden bytter plass. Magnetfeltet sprer seg gjennom stuen.

© Mikkel Juul Jensen

Magnetfeltet gjøres om til strøm og tenner lampen

Elektriske apparater inneholder en mottaker som omsetter energien i magnetfeltet til strøm. Sender og mottaker veksler med samme frekvens, og denne såkalte resonansen reduserer energitapet.

© Mikkel Juul Jensen

I Oslo skal taxier lades opp på holdeplassen

Fram mot 2023 vil det installere trådløse strømforsyninger ved alle drosjeholdeplasser i Oslo, slik at taxiene blir trådløst ladet mens sjåføren venter på kunder. På sikt vil elbiler kunne lades opp fra vei­banen mens de kjører.

Forskerne opprettet firmaet Witricity for å kommersialisere teknologien, men i de siste årene er fokuset skiftet til trådløs ladning av elbiler under parkering.

Her drar teknologien fordel av den korte avstanden mellom senderen på bakken og mottakeren under bilen.

I fjor viste forsøk på parkeringsplasser i Berlin at 90 prosent av den trådløse strømmen ender i batteriet.

Til sammenligning overføres 95 prosent av energien når bilen lades opp via en ledning.

Trådløs ladning av elbiler vil i første omgang bli innført på parkeringsplasser, men forsøk med elektriske busser i Tel Aviv har vist at batteriene også kan lades opp fra magnetspoler i veibanen under kjøring.

På sikt vil elbiler derfor kunne bli ladet opp mens de for eksempel kjører på motorveien.

Superledning krever superkjøling

Den største elektromagnetiske revolusjonen i det 21. århundret vil imidlertid komme fra superledning, strøm uten motstand, som ble oppdaget i 1911 av den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes.

I et superledende materiale fortsetter strømmen å sirkulere i en spole når den først er innført.

Alle superledende materialer har en såkalt kritisk temperatur. Under denne er de superledende, slik at strømmen passerer uten motstand.

Video: se en nedkjølt superleder sveve på et Möbiusbånd

Når materialet blir varmere, opphører superledningen øyeblikkelig, og det oppstår motstand, akkurat som i en kobberledning.

De klassiske metalliske superlederne må kjøles ned til minus 269 grader, noe som krever bruk av flytende helium, som er veldig dyrt.

Derfor finnes det bare ett bruksområde for denne teknologien – 25 000 MR-skannerne som brukes til diagnostikk på sykehus rundt om i verden.

Blod inneholder store mengder hydrogen, som gir signal i en MR-skanner. Bildet viser blodgjennomstrømningen i hjernen filmet med en kraftig skanner på sju tesla.

© Courtesy of Professor Markus Barth, Centre for Advanced Imaging, The University of Queensland

Magnetene leverer typisk felt på 1,5-3 tesla, noe som svarer til styrken i 1500–3000 kjøleskapsmagneter.

I de siste årene har det blitt tatt i bruk flere skannere på sju tesla. Jo kraftigere feltet er, jo mer detaljer kan skannerne vise.

Med en styrke på tre tesla er oppløsningsevnen på en millimeter, mens sju tesla gir en oppløsning på 0,5 millimeter og dermed et mye mer detaljert bilde av kroppens indre.

Den første MR-skanneren med en feltstyrke på 10,5 tesla testes nå ved University of Minnesota.

Her ventes oppløsningsevnen å nå omkring 0,2 millimeter. Oppløsningen vil gi muligheter for å se den levende hjernen arbeide.

For eksempel vil skannerne kunne avsløre hvordan de sju lagene i hjernebarken, som bare er tre millimeter tykk, utveksler nervesignaler når hjernen behandler informasjon og treffer beslutninger.

© F. Durillon/CEA & Shutterstock

MR-skanner ser hjernen arbeide

I 2022 tas den franske Iseult-skanneren i bruk. Med en oppløsningsevne på under 0,2 millimeter vil legene kunne se detaljer i den levende hjernen som normalt bare er synlig i tynnsnitt av hjerner under et mikroskop. Detaljgraden kan avsløre samspillet mellom små grupper av nerveceller og føre til bedre diagnostikk av hjernesykdommer.

Helium sikrer superledning

Et kjøleanlegg leverer flytende helium med en temperatur på
minus 271 grader. Om lag 7000 tonn flytende helium sirkulerer i et kretsløp rundt skannerens gigantiske magnet og opprettholder den superledende strømmen.

Ledninger er 182 kilometer lange

Skanneren består av 182 kilometer ledninger av niobiumtitan. De snurres rundt til en fem meter lang elektromagnet som veier 132 tonn. Magneten skaper et magnetfelt på 11,7 tesla – 223 000 ganger så kraftig som magnetfeltet i jorden.

Skanner ser den levende hjernen

En radiosender endrer den magnetiske retningen av hydrogenatomer i hjernen. Når signalet brytes, søker atomene tilbake og sender ut et signal som skanneren fanger opp. Signalet kan vise cellenes anatomi, stoffskifte eller nerveaktivitet.

Nitrogen erstatter helium

Snart vil høytemperatursuperledere av keramiske materialer, som fungerer ved høyere temperaturer, gi helt nye muligheter.

Superlederne trenger «bare» å nedkjøles til minus 196 grader, og det kan gjøres med flytende nitrogen, som er mye lettere å skaffe enn flytende helium.

MR-skannere vil derfor bli både mindre og billigere.

Ledningene som er en avgjørende del av magnetene, har allerede blitt produsert industrielt, og nylig produserte amerikanske forskere verdens sterkeste magnet, med en svimlende feltstyrke på 45,5 tesla, av den keramiske superlederen Rebco.

Tokamak Energys superledende Rebco-magnet består av tynn tape omgitt av metaller. Den superledende tapen vikles omkring en magnetspole.

© Tokamak Energy

Evnen til å skape rekordsterke magnetfelt kan medføre store teknologiske gjennombrudd, blant annet på kulereaktoren til Tokamak Energy.

For at fysikerne i det hele tatt skal kunne håndtere temperaturer på 100 millioner °C, krever det nemlig at fusjonsdrivstoffet holdes innesluttet i et bur av ekstremt kraftige magnetfelt, som bare kan oppnås med superledere som kjøles ned med nitrogen, som Rebco.

For 34 år siden oppdaget fysikerne de første høytemperatursuperlederne, som kan kjøles ned med billig flytende nitrogen. Teknologien skal nå utnyttes i ekstremt kraftige superledende magneter som kan presse flere millioner grader varm plasma sammen i en fusjonsreaktor.

© Tokamak Energy

Krystallgitteret trekkes sammen

Det superledende materialet består av et krystallgitter av atomer med positiv ladning. Når et negativt ladet elektron føres inn i superlederen, trekker den de positive atomene inn mot hverandre.

© Tokamak Energy

Et nytt elektron suges inn

Sammentrekningen av de positive atomene skaper et overskudd av positiv ladning i superlederen. Området med positiv ladning tiltrekker et nytt elektron i kjølvannet på det første.

© Tokamak Energy

Elektronpar skaper tapsfri bølge

Alle elektroner i superlederen danner slike elektronpar som surfer mellom de positive ladningene i krystallgitteret – som en kollektiv bølge av strøm som ikke møter motstand.

© Tokamak Energy

Magnetisk bur samler drivstoff

Den kuleformede fusjonsreaktoren ST40 inneholder superlederen Rebco, med kraftige magnetfelt som komprimerer drivstoffet. Sammenpressingen innebærer at et kraftverk kan bli 20 ganger mindre og mye billigere enn for eksempel det eksperimentelle fusjonskraftverket Iter. Kulereaktoren har allerede varmet opp fusjonsdrivstoff til 15 millioner °C, og i løpet av 2020 skal temperaturen opp til 100 millioner °C.

Superledning ved romtemperatur

Men fysikerne stopper ikke der. Den ultimate drømmen er å utvikle superledere som fungerer ved romtemperatur, slik at vi for eksempel kan skape strømnett som ikke mister energi.

Nylig har tyske og amerikanske forskere demonstrert superledning ved en temperatur på minus 22 grader i et materiale av hydrogen og metallet lantan.

Ulempen ved lanthanhydrid er at det bare er superledende ved et trykk på minst 1 millioner atmosfære i en diamanttrykkcelle, så den praktiske bruken venter ikke like rundt hjørnet, men mulighetene kan oppstå hvis det blir mulig å produsere fast hydrogen­metall.

Video: Elektromagnetisk kanon slynger prosjektiler av gårde med 9000 km/t

Ifølge teorien bevarer hydrogenmetallet atomstrukturen og egenskapene når trykket fjernes – akkurat som diamanter som er skapt under høyt trykk og temperatur i jordens indre, men holder formen i atmosfærisk trykk på overflaten.

Visjonen kan bli virkelighet i løpet av århundret og for alvor gjøre vår elektromagnetiske verden superledende.