Oda Sıcaklığında Süper İletkenler Ne Zaman Geliyor?

Oda sıcaklığında çalışan süper iletkenler ne zaman geliyor? Çoktan geldi bile ama manyetik alan yastıkları üzerinde uçan maglev trenler hâlâ yaygınlaşmadı. Peki Avatar filmindeki yıldızlararası antimadde roketlerini çalıştıracak olan süper iletkenler ne zaman kullanıma girecek? Ne zaman antimadde katalizörlü roket yakıtı üreteceğiz? Kuantum fiziğinde süper iletkenler nedir ve nasıl çalışır?

Neden süper iletkenler kullanmalıyız?

Oligarşinin yağma düzenini saymazsak insan uygarlığının önündeki en büyük sorun dirençtir. Değişime ve yeniliğe direnç göstermek değil. O da fena ama bu yazıda kastımız iletken maddelerin elektriğe gösterdiği dirençtir. Tesla başlığında gördüğümüz gibi elektrik akımı bir ortamın içinde, örneğin bir telin içinde saatte veya saniyede belirli bir hızda giden elektrik yüklerinden oluşur. Bunlar da pratikte elektronlardır. Elektronlar bakır telde hareket eder ve elektrik akımı oluşturur.

Doğadaki en iyi iletkenler, yani elektriği en iyi ileten metaller de bakır, gümüş, altın ve alüminyumdur. Oysa bu metaller bile içinden geçen elektriğe biraz direnç gösterir. Bunlardan yapılan telleri ne kadar geniş tutsak, iyi yalıtsak ve pasa karşı korusak da metaller elektrik enerjisini direnç göstererek iletir. Kısacası içinden elektrik geçen teller ısınır. Hatta yalıtkan seramikten üretilen rezistansları olan elektrikli sobalar elektriğe aşırı direnç gösterdiği için ısınır ve odanızı da ısıtır.

Buna karşın elektriğe direnç göstermek enerji kaybına yol açar. Öyle ki ürettiğimiz elektriğin yüzde 2’sini şehirlerarası hatlarda aktarırken ve yüzde 4’ünü de şebeke elektriğini dağıtırken kaybederiz. Bu da hem elektrik kabloları ısındığı hem de elektrik kaybını telafi etmek üzere daha çok enerji üretmek gerektiği için küresel ısınmayı artırır. Oysa süper iletkenler elektriği hiç direnç göstermeden iletir. Böylece enerjiden en az yüzde 5 tasarruf etmemizi sağlar. Peki süper iletkenlerin başka ne faydası var?

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

 

Bütün iletkenler süper iletken olabilir

Küresel ısınmayı önlemekte çok işe yarar; çünkü bilgisayarlar çalışırken çok az ısınacaktır. Bunları soğutmak için ek enerji gerekmeyecektir. Bu da dünyanın en büyük elektrik tüketicileri arasında olan veri merkezleriyle Bitcoin ve altcoin madencilerinin büyük oranda tasarruf yapmasını sağlayacaktır. Süper iletkenler manyetik hava yastıkları üzerinde yükselerek raylara sürtünmeden giden maglev uçan trenlerin yaygınlaşmasını da sağlayacaktır.

Bu trenler sürtünme olmadığı için rahatlıkla ses hızına çıkabilir. Kabul, Elon Musk’ın 2013’te tanıttığı Hızyuvarı teknolojisinde hava kompresörlerinin yere püskürttüğü basınçlı hava yastıkları üzerinde uçarak ses hızına ulaşan tramvaylar var. Oysa maglev trenler tıpkı diğer trenler kadar çok yük ve yolcu taşıyarak ses hızını aşacaktır. Süper iletkenler insanlığın uzaya yayılmasını da hızlandıracaktır. Peki bütün bunları yapmak için neden süper iletken kullanmıyoruz? Elimizdeki iletkenlerin çok büyük kısmı –257 dereceden itibaren süper iletkene dönüşüyor da ondan.

Bütün iletkenler süper iletken olabilir ama ancak en düşük sıcaklıklarda bunu yapabilir. Bizim insan uygarlığını kurtarmak için oda sıcaklığında süper iletken üretmemiz gerekiyor. Sonuçta metalleri soğutup süper iletken yapmak için de enerji harcıyoruz. Bu da küresel ısınmaya yol açıyor. Oysa bilim insanları geçen yıl oda sıcaklığında süper iletken ürettiler. Şimdi bu gelişmeyi ve süper iletkenlerin ne zaman yaygınlaşacağını kuantum fiziğiyle görelim:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Süper iletkenler için ilk deneyler

Süper iletkenlerin uzun ve harika bir geçmişi var. Ta 19 yy’da iletkenlerin elektriği dirençsiz iletemeyeceğini anladık. Bakır telin kesitini genişleterek, teli kısa tutarak ve soğutarak iletkenliği artırmak mümkündür. Nitekim bu yöntemleri elektrik hatlarında kullanırız. Yine de standart bir iletkeni aşırı soğutmadan süper iletken yapamazsınız. Bunun sebebi elektrik akımının manyetik alan oluşturmasıdır. Bir telin direncini değiştirirseniz taşıdığı elektrik akımı da değişir. Süper iletken olmak içinse iletkendeki manyetik alanların, yan dalgaların hiç değişmemesi gerekir.

Oysa iletkenin direncini azaltmaya çalışırsanız akım şiddeti artacak ve bu da manyetik alanı değiştirerek kısır döngüye yol açacaktır. Neyse ki bazı materyallerde kuantum fiziğindeki Meissner Etkisi ortaya çıkar. Bu durumda iletkeni saran bütün manyetik alanları silip temizleyebilirsiniz. Telin içindeki manyetik alan sıfırlanır ve iletkenlik yüzde 100 olur. Fizikçiler süper iletkenliği 1911’de sıvı helyumu soğutucu olarak kullanmaya başladıklarında keşfettiler.

Fizikçi Heike Onnes cıvayı soğutup katılaştırmak için sıvı helyum kullanıyor ve metallerin elektriğe nasıl direnç gösterdiğini araştırıyordu. İlkin işler beklediği gibi gelişti. Sıcaklık düştükçe direnç azaldı ama sadece belirli bir noktaya kadar… Buna karşın sıcaklık –268,95 dereceye düşünce cıva aniden süper iletkene dönüştü. Üstelik bu eşiği geçince donmuş cıvada manyetik alan da oluşmuyordu. Böylece bütün metallerin süper iletkenlik eşiği olduğunu keşfettik. Örneğin kurşun –266,15, niyobyum –261,15 ve niyobyum nitrür de –271,15 derecede süper iletken oluyordu.

Süper iletkenler için sıcaklık artıyor

Fizikçiler deneyleri sürdürdü ve süper iletkenliğin kuantum mekaniğini daha iyi anladıkları teorik ilerlemeler de kaydettiler. 1980’lerde ise çok ilginç bir şey keşfettik. Bazı materyaller -250 derecenin epey üstünde süper iletkene dönüşüyordu. Bunlar bakır oksit sınıfından basit materyallerdi. 1980’lerde bakır oksitlere lantan ve baryum gibi elementleri ekleyerek yaptıkları deneylerde –243 derece süper iletkenlik elde ettiler.  Yeni süper iletken itriyum–baryum–bakır–oksit (YBCO) bileşiğiydi:  

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Oda sıcaklığında süper iletkenler geliyor

Bu fizik dünyasında çığır açan dev bir sıçramaydı. Artık süper iletkenlik için –233 dereceden düşük sıcaklıklar elde etmeye ve bunun için de sıvı hidrojenle sıvı helyum kullanmaya gerek yoktu. YBCO –200 derecenin altında, –181,15 derece süper iletken oluyordu. Kısacası YBCO’yu soğutmak için üretim, taşıma ve saklama açısından çok daha ucuz olan sıvı azot kullanmak yeterliydi. Böylece endüstride süper iletken elektromıknatıslar yaygınlaşmaya başladı. Hastanelerde MR cihazları bu sayede yaygınlaştı. Buna karşın -73,15 derece eşiğini bir türlü aşamadık. Oda sıcaklığı ise 24–27 derecedir.

Bu bağlamda Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nde (CERN) protonları ışık hızının yüzde 99’undan daha hızlı çarpıştıran Büyük Hadron Çarpıştırıcısı da (LHC) süper iletkenler sayesinde mümkün oldu. Süper iletkenlik kuantum fiziğinde ilerlememizi ve kuantum bilgisayar geliştirmemizi sağladı. 2015’te ise fizikçiler taktik değiştirmeye başladılar. Su molekülü H₂O’ya çok benzeyen hidrojen sülfürü (H₂S) aldılar ve buna 155 gigapascal gibi müthiş bir basınç uyguladılar.

15 derecede süper iletken oldu

Hidrojen sülfürü deniz seviyesindeki basıncın 1,5 milyon katıyla ezdiler. Karşılaştırma açısından bu da teninizdeki her santimetrekareye 1500 ton yük bindirmeye eşittir. Peki ne oldu? İlk kez -70 dereceden yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik elde ettiler. Böylece oda sıcaklığında süper iletkenlik oluşturma isteği yeniden canlandı. Sonuçta 14 Ekim 2020’de Rochester Üniversitesi’nden fizikçi Ranga Dias ve meslektaşları, hidrojen sülfürü hidrojen ve metanla karıştırarak 265 gigapascal basınç uyguladılar. Böylece karbonlu sülfür fotokimyasal başkalaşım geçirerek hidrürlü bir sisteme dönüştü.

Sözün özü bu madde 14,85 derecede (eksili sıcaklıklar değil) süper iletken oldu. Sıcaklık eşiği açısından süper iletken buzdolabı ve klimalar üretmek artık mümkündü. Peki dünyayı değiştirmek için daha ne bekliyoruz? Oda sıcaklığında süper iletken yapmak için Dünya’nın çekirdeğindeki basınca (330–360 gigapascal) yaklaşan basınçlar üretmek zorundayız. Açıkçası bunu yapmak bir metali sıvı azotla soğutmaktan çok daha zordur. Deneylerde yüksek basıncı elmas çekiçler arasında 1 saniyeliğine üretiyoruz. Sürekli değil. Bir maglev treni düşünün. Çalışırken devamlı soğutulmak zorunda.

İlgili yazı: Yerçekimi Uzayla Zamanı Nasıl Büküyor?

 

Süper iletkenler için kısır döngü mü?

Doğada üç kuruşa beş köfte yok. Süper iletkenlik istiyorsak ya çok soğutacak ya da çok sıkıştıracağız. Hepsi de ek enerji gerektirecek. Küresel ısınmayı önlemek açısından bu yeterli değil. Süper iletkenlik için küresel ısınmayı artıracaksak ne işe yaradı süper iletkenlik? Oysa enseyi karartmayın. Teorik çalışmalar ve bilgisayar simülasyonlarıyla düşük basınçta oda sıcaklığı süper iletkenleri yapabiliriz. Belki deniz seviyesinde yapamayız ama az enerji tüketerek makul yüksek basınç üretebiliriz.

Endüstriyel açıdan anahtar basittir… Süper iletkenler en az normal iletkenler kadar ucuz olmalı. Hem ekonomik açıdan hem de enerji bütçesi açısından ucuz olmalı. Peki somut ilerlemeler var mı? Kesinlikle! Atomlar Lego blokları gibidir. Doğru şekilde birleştirip doğru bileşikler yaparsanız bunlar ekonomik süper iletkenler oluşturur. Örneğin matematik hesaplamalarında itriyum ve hidrojen bileşiklerini çok daha düşük basınçta ve sadece –11 derecede süper iletken yapacağımızı gördük.

Örneğin sıvı hidrojen, Jüpiter’in dış çekirdeğinin üzerindeki 495 gigapascal basınçta süper iletken metalik hidrojene oluyor. Oysa hidrojene farklı element ve bileşikler ekleyerek basıncı düşüreceğiz. ABD Enerji Bakanlığına göre süper iletkenler ekonomide yılda yüz milyarlarca dolar tasarruf sağlayacak. Bu az para değil ama süper iletken endüstrisini doğru anlayalım. Süper iletkenler daha küçük ve tasarruflu MR cihazları, maglev trenler, klima ve buzdolapları imal etmekten ibaret değildir:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Süper iletkenler ve antimadde roketleri

Süper iletken akaryakıtlar düşünün. Bunlar jet ve roket yakıtı gaz yağından bile daha verimli olacaktır. Verimlilikte sıvı hidrojen ve metanı kat be kat aşacaktır. 100 km’de 9,4 litre yerine 1 litre, hatta yarım litre yakan otomobiller düşünün. Bir depo akaryakıtla 5000 km giden SUV’lar veya 400 km giden uçan otolar hayal edin. Elektrik enerjisini 20 yıl depolayan solar termal akaryakıtları gözünüzde canlandırın. Bu teknoloji ile nükleer enerjiye gerek kalmadan güneş, rüzgar ve akıntı enerjisini ölçekleyebilirsiniz.

Yüzyılın sonuna doğru ise süper iletkenler antimadde katalizörlü hidrojen yakan süper hızlı nükleer füzyon roketleri geliştirmeye izin verecektir. Süper iletkenler hem antimadde üretimini yakıt olarak kullanacak kadar ucuzlatacak hem de roket çalışma sıcaklığını azaltacaktır. Bugün tasarım masasındaki füzyon roketleri ışık hızının yüzde 8, bilemedin yüzde 12’sine ulaşır. Oysa antiproton katalizörlü roketler ışık hızının yüzde 20’sine çıkacaktır. Bu da en yakın yıldız Proxima Centauri’ye 20 yılda gitmek demek.

Süper iletkenler için sonsöz

Süper iletkenler çok yüksek enerji üreterek çalışan yıldızlararası roket motorlarını soğutmaya da yarar. Belki James Cameron’ın Avatar filmindeki ISV Venture Star roketi gibi ışık hızının yüzde 70’ine çıkamayız. Oysa yüzde 20’sine çıkarız ve bu da komşu yıldızlara büyük insansız uzay sondaları göndermeye imkan verir. Peki ya Mars’a 3 ay ve Satürn’e 6 ayda gidecek mini füzyon roketleri? Dahası Güneş’e ortalama 4,5 milyar km uzaktaki Neptün’e 6 ayda gitmek? Bütün bunlar süper iletken soğutma ve elektrik sistemleri, aynı zamanda metalik roket yakıtlarıyla mümkün olacaktır.

Siz de lazer füzyon roketi Icarus ile yıldızlara yolculuğu şimdi görebilir ve füzyon roketi için helyum 3 zaman kristallerine hemen bakabilirsiniz. Çin Ay’dan nasıl helyum 3 füzyon yakıtı getireceğini inceleyip nükleer füzyon nedir ve ne zaman gelecek diye sorabilirsiniz. ITER nükleer füzyon reaktörü nasıl çalıştığını merak edip lazer yelkeni ile komşu yıldızlara nasıl ulaşacağımızı araştırabilirsiniz. Hızınızı alamayıp kendi kendine bardaktan taşan süper sıvıları ve evrendeki en bol su formu süperiyonik sıcak buzu da hemen inceleyebilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Süper iletkenleri nasıl yaparız?

¹Novel approach to Room Temperature Superconductivity problem
²Hot Hydride Superconductivity above 550 K
³Reaching room temperature superconductivity by optimizing doping in LaH₁₀?