Článek
Čtete ukázku z newsletteru TechMIX, ve kterém Pavel Kasík a Matouš Lázňovský každou středu přinášejí hned několik komentářů a postřehů ze světa vědy a nových technologií. Pokud vás TechMIX zaujme, přihlaste se k jeho odběru!
Tým korejských autorů v nich uvádí, že se jim podařilo vytvořit materiál, který funguje jako dokonalý supravodič i za teplot přes 100 °C. Má jít o krystalickou látku obsahující především olovo, fosfor, kyslík a měď.
Supravodivost, tedy (mimo jiné) schopnost vést elektrický proud úplně bez ztrát, je známá zhruba století. Zprvu se řada fyziků domnívala, že by mohlo jít o exotickou vlastnost vyskytující se při teplotách pouze kolem absolutní nuly.
Až postupně se ukázalo, že zřejmě neexistuje žádný důvod, proč by supravodiče nemohly existovat i za vyšších teplot. Zatím největší praktický úspěch byly v roce 1986 použitelné supravodiče, kterým stačí chlazení kapalným dusíkem (bod varu má -195 °C). To odbornou veřejnost vzrušilo natolik, že už v roce 1987 byla za tento objev udělena Nobelova cena. Na výbor pro udělování tohoto vyznamenání je to zcela nezvyklá rychlost.
Své místo může najít všude
Snem je ovšem pochopitelně materiál, který bude supravodivý za normálních teplot. Okruh pro chlazení kapalným dusíkem totiž nelze udělat do počítače, telefonu, ale ani do generátoru v elektrárně nebo na několikasetkilometrové vlakové trati. To jsou přitom jen některé z možných aplikací.
Supravodivé materiály o pokojové teplotě by vedly k mnoha novým možnostem praktického využití, včetně výroby a rozvodu elektřiny s menšími ztrátami a miliardovými úsporami ročně, ultrarychlých a energeticky účinných počítačových čipů a velmi výkonných magnetů, které lze použít k levitaci vlaků nebo třeba pro stavbu fúzních reaktorů.
Kromě samotné dokonalé vodivosti objekty ze supravodivého materiálu v sobě obrazně řečeno „nesnesou“ magnetické pole. Dokonale ho ze sebe dokážou vytlačit, což znamená, že nad jinými magnety levitují (stručné vysvětlení třeba na stránkách Fyzikálního ústavu). Proto mohou účinně nadnášet třeba magnetické vlaky nad kolejištěm.
Teoreticky (záleží na vlastnostech materiálu) mohou posloužit i pro výrobu velmi účinných elektromagnetů, které po zapnutí pracují beze ztrát. Pokud tedy třeba teplota materiálu nestoupne nad kritickou mez, z toho je pak velmi drahá oprava, jak ví třeba na urychlovači LHC…
Další slibnou aplikací by byly výkonnější počítače, které pracují s mnohem menšími ztrátami než ty dnešní. Supravodiče jsou i nedílnou součástí konceptů kvantových počítačů. Pokud by se z nich dokázaly vyrobit obvody, které není zapotřebí hluboce chladit, mělo by být výrazně jednodušší stavět výkonnější kvantové výpočetní stroje.
Prakticky použitelný supravodič fungující za běžných teplot by prostě znamenal značný technologický skok vpřed. Nobelova cena pro objevitele je prakticky stoprocentně jasná. Největší problém výboru bude jen vybrat z případného týmu tři vědce, kteří by měli cenu dostat, a co nejspravedlivěji ji mezi ně rozdělit.
Na pohled snadné
Jak to celé funguje? Autoři objevu spekulují, že příčinou supravodivosti je částečné nahrazení jednoho prvku v krystalické mřížce jiným. Původní materiál obsahuje v krystalické mřížce jen olovo, část z něj se podařilo ovšem „vytlačit“ a místo ní do materiálu dostat trochu mědi.
Měď je velmi zjednodušeně řečeno o něco „menší“. Když tedy chemickou reakcí došlo k jejich částečné záměně, celý materiál se doslova zmenšil. V měřeních autorů jeho objem klesl o 0,5 procenta, což je u podobných jevů poměrně velká hodnota.
Kolem článků se pochopitelně vyrojila řada otázek a nejasností, z nichž některé jsme zmínili v našem textu. Odborníci byli oprávněně skeptičtí, protože z oboru supravodičů už známe dost případů, kdy se slibný výsledek nakonec ukázal být slepou uličkou nebo chybou.
V Asii, ale nejen tam, ovšem publikace vzbudila mezi odborníky ohromný zájem. K tomu nepochybně přispěla prezentace jednoho z autorů na mezinárodní odborné konferenci v Koreji 28. července. Vzhledem k tomu, že v tuto chvíli nevíme, zda autoři někomu poskytli materiál k nezávislému ověření, se řada laboratoří na celém světě, včetně minimálně jedné české, pustila do snahy o napodobení pokusu.
Někteří výzkumníci z Číny i jiných zemí dokonce své pokusy streamovali či streamují (můžete dohledat, ovšem nic vzrušujícího nečekejte). Objevila se tvrzení o úspěšné replikaci (příklad z Číny), která ale rozhodně nejsou zcela „neprůstřelná“. Na odborných serverech bylo publikováno i několik prací, které popisují snahy neúspěšné. Ovšem na jasné závěry je zatím prostě brzy.
Jak rychle pod ním zatopit?
Platí to i přesto, že experimentální příprava materiálu LK-99 není na pohled příliš složitá. Nejsou k ní zapotřebí nějaké těžko dostupné materiály či zařízení. Ale ani tak to není nic jednoduchého: I autoři původní práce uvedli, že jejich vzorky nebyly příliš dobré, obsahovaly směs údajného „supravodiče“ s jinými formami sloučeniny, která supravodivé vlastnosti neměla.
Alespoň z publikovaných údajů se tedy nezdá, že by měli nějaký dobře vyladěný postup přípravy kvalitního materiálu. Pokud tedy nemají výsledky, o kterých raději ani nemluví…
Ale i kdyby příprava nevyžadovala nic „exotického“, jen z popisu uvedeného v jedné ze zveřejněných prací není možné přesně určit všechny možné parametry, které výroba takového materiálu zahrnuje (třeba čistotu výchozího materiálu, přítomnost kyslíku v některých krocích, velikost zrn materiálu, rychlost zahřívání a chlazení, velikost a tvar nádoby atd.).
Všichni odborníci, s nimiž jsem téma probíral, či jejichž komentáře jsem pouze zachytil, se shodují, že existuje řada proměnných, které je těžké v psaném textu předat. Nejlépe se jednoduše odkoukávají. Jde téměř o alchymii. V tomto případě o to složitější, že autoři objevu mají důvod neříct vše. Není tedy asi příliš reálné očekávat, že se tvrzení podaří ověřit rychle.
I proto jsou v tomto kontextu zajímavé práce odborníků, kteří fyzickému experimentování příliš nehoví. V posledních dnech se objevily dvě práce teoretiků (z Číny a USA), kteří se podrobněji podívali na korejským týmem publikované rentgenové snímky materiálu. Na základě těchto záběrů se pak pokusili vytvořit matematický model materiálu.
Obě práce dospěly k závěru, že by materiál na základě současných znalostí skutečně mohl být supravodičem. Nezdá se na něm něco „kouzelného“, co by zavánělo podvodem nebo nějakou zcela neznámou fyzikou. Což sice nedokazuje, že tvrzení korejského týmu jsou pravdivá, je to ovšem rozhodně povzbudivý signál.
Kdy si ho koupím?
Pokud by se ukázalo, že skutečně máme k dispozici nový supravodič či mnohem spíše novou třídu supravodičů odvozenou od prvního objeveného materiálu, všichni se pochopitelně budeme ptát, kdy už konečně budou ty nové, lepší počítače a telefony a slibované levitující vlaky.
Na tuto otázku bohužel také neexistuje jednoduchá odpověď. Pomůžeme si příkladem onoho již zmiňovaného objevu z roku 1986, tedy supravodičů, kterým stačí chlazení kapalným dusíkem. Nobelovu cenu autoři dostali o rok později, ale skok do praxe trval mnohem déle.
Tím nejpraktičtějším z této třídy keramických supravodičů se ukázal materiál známý jako YBCO (oxid mědi s ytriem a baryem). Objeven byl už v roce 1987, ale dlouho ho nikdo nedokázal vyrobit v dostatečném množství a kvalitě.
Jde o keramickou látku, která je velmi citlivá na některé proměnné ve výrobě. Například se musí bedlivě sledovat množství kyslíku, které obsahuje. Vlastnosti ovlivňuje i to, jak látka během výroby krystalizuje. Aby sloužila jako supravodič, měla by ideálně mít všechny krystaly „srovnané“ a stejně orientované.
Supravodiče jsou například ideální materiál pro cívky magnetů velkých fúzních reaktorů. Supravodivé magnety mají nulové ztráty, takže po zapnutí mohou běžet celé týdny. Ale vyrobit vhodný materiál se dlouho nedařilo. Výroba se vlastně rozběhla ve větším měřítku až v roce 2021 díky nové metodě (základní popis najdete v tomto odborném článku).
Pokud dojde k objevu nového supravodiče, zvládnout výrobní technologie také vůbec nemusí být samozřejmé. Jde vlastně o úplně nový problém či spíše sadu problémů, který potřebuje často úplně jiné řešení, než jaké používají vědci při výrobě laboratorních vzorků.
Na druhou stranu, i kdyby šlo o problém obtížný, přínosy možného vysokoteplotního supravodiče jsou mnohonásobně větší. O jeho výrobě by uvažovaly zástupy odborníků po celém světě a je těžké si představit, že by nepřišly s řešením rychleji než v případě materiálu YBCO. Odměna by totiž byla o hodně sladší.
Přesně proto také nebude asi zapotřebí ztrácet naději, pokud se korejský objev nepotvrdí. Pokrok v hledání nových supravodičů je nepopiratelný, a opravdu se nezdá, že existuje fyzikální důvod, aby je nešlo vytvořit. A kde je snaha, dříve či později by se mělo najít řešení.
V plné verzi newsletteru TechMIX toho najdete ještě mnohem víc. Přihlaste se k odběru a budete ho dostávat každou středu přímo do své e-mailové schránky.
Aktualizace: V článku jsme vyjasnili původní vysvětlení magnetických vlastností supravodičů.
