In deze dagen van meer en meer geavanceerde technieken, welke tevens de zendamateur en luisteraar ten dienste staan, Koren wij regelmatig over het gebruik van ontvangst versterkers voor zeer hoge frequenties, welke ter verlaging van de termische ruis van de onderdelen sterk worden onderkoeld met bijv. vloeibare stikstof etc. Bij radiotelescopen en in de ruimtevaart maakt men hiervan reeds in ruime mate langere tijd gebruik. Ook voor de gevorderde zendamateur, speciaal waar lage ruisgetallen nodig zijn voor EME en MS verkeer, lezen wij langzamerhand meer en meer over het gebruik van koeltechnieken.
Het ligt niet in mijn bedoeling op het praktisch gebruik van deze technieken voor de zendamateur in te gaan. Aardiger leek mij een algemeen orienterend artikel over de historie, het heden en de toekomst, met betrekking tot het fenomeen van 'SUPER GELEIDING'. Tenslotte draait het daar allemaal om. Ongetwijfeld zal er wel iemand zijn die de aspecten, gerelateerd aan het zendamateurisme, veel beter uit de doeken kan doen dan ondergetekende.
Reeds in de vorige eeuw hidden diverse geleerden zich bezig met theorieen welke een beeld moesten verschaffen van de invloed welke de temperatuur moest hebben op het gedrag van materie in het algemeen. Het nodige was al bekend omtrent vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Veelal was de beschikbare informatie langs puur theoretische deduktie tot stand gekomen en werden grote geleerden als Einstein, Thomson, Cooper en anderen voortdurend aangevochten aangaande de juistheid van hun beweringen. Praktische bewijzen ontbraken!
Voor wat de hoge temperaturen aanging, hielden de spekulaties op bij de 'schieronvoorstelbare' oppervlakte temperatu(u)r(en) van de zon en welke processen daar plaatsvonden.
Bij veel lagere temperaturen, tot max. 1000 graden Celcius, werd wel eenduidig bewijs geleverd. In Frankrijk werd door Curie vastgesteld dat er voor elk magnetiseerbaar materiaal een strikte temperatuur bestond waarboven dit materiaal niet meer magnetiseerbaar bleek. Zo kon een magneet worden verwarmd tot een bepaalde temperatuur, waarna deze ophield magneet te zijn! Bij verlaging van de temperatuur kreeg het materiaal weer de magnetische eigenschappen terug!
Vandaag aan de dag weten wij alien die met temperatuur geregelde soldeerbouten werken wat het 'Curie-punt' van een magneet inhoudt! Door legeringen en sinterprocessen kan een zeer scherp curie-punt worden verkregen naar wens, een en ander wel binnen de grenzen van de mogelijkheden van het betreffende materiaal. De reden voor dit ogenschijnlijke 'vreemde' gedrag vinden we terug in de bewegingen die het kristalrooster maakt. Hierover straks meer. In het kort geldt echter dat alle invloeden, die het trillen van het rooster verstoren, een verandering van eigenschappen teweeg brengt in het materiaal.
Aan de 'koude' kant van de nul-graden Celcius lijn vinden ook steeds verdere eigenschapsveranderingen plaats, welke onderhevig zijn aan hetzelfde verschijnsel. Wij staan er niet bij stil, maar gassen worden vloeibaar (even de druk buiten beschouwing gelaten!) en vloeistoffen worden vast. Het vreemde is echter dat een groot aantal materialen, na hun vaste vorm verkregen te hebben, bij veel verdere afkoeling weer vloeibaar worden! Wij spreken dan van 'super vloeibaarheid'.
Andere materialen behouden daarentegen hun vaste vorm.
Een groot geleerde die zich buiten veel andere zaken ook met de lage temperaturen heeft bezig gehouden, was William Thomson (1824-1907). Deze geleerde is bij ons echter beter bekend als Lord Kelvin. Thomson hield zich aanvankelijk bezig met allerhande maritieme meetapparatuur. Hij was ook zeer druk in de weer met onderwater telegrafie kommunikatie. Zijn onderzoekingen en patenten op dat gebied resulteerden tot verheffing in de Engelse adelstand. Zo heette Thomson voortaan 'Lord Kelvin of Largs', of kortweg Lord Kelvin. Kelvin's grote bekendheid kwam echter door zijn theorieen aangaande volumetrische veranderingen van gassen bij veranderende temperaturen.
Kelvin had grote belangstelling voor de ontdekking van de Franse geleerde Jacques Charles, die al in 1787 vaststelde dat, indien een gas werd gekoeld, het volume inkromp met 1/273 deel per graad Celcius! Bij temperatuursverhoging zette het gas met dezelfde waarde uit!
Jarenlang hebben de geleerden zich het hoofd gebroken over deze onweerlegbare ontdekking. Betekende dit dat bij -273 graden Celcius er geen volume meer zou zijn? In 1848, op 24-jarige (!) leeftijd, loste Kelvin dit probleem op door naar voren te brengen dat het niet het volume was, maar de bewegingsenergie van de gasmoleculen, die het nulpunt bereikten bij -273 C! Kelvin stelde dat de beweging van de moleculen kennelijk direkt afhankelijk was van de temperatuur.
Zo werden bewegingsenergie, volume en temperatuur met elkaar gekoppeld. Ook kon gesteld worden dat indien er geen bewegingsenergie over is, er tevens geen verdere afkoeling kan plaatsvinden! Zo noemde Kelvin -273 C dan ook het 'absolute nulpunt'. Gewapend met deze theorie en ditmaal ondersteund door vele anderen, stelde hij een nieuwe temperatuurschaal op. De schaal gebaseerd op die van Celcius, begint echter op -273 C, wat Kelvin 0 graden noemde. Het oude nulpunt van Celcius werd daardoor 273 graden Kelvin.
Lange tijd is in de wetenschapkommunie grote verdeeldheid geweest over wat er nu precies zou gebeuren indien een materie tot de door Kelvin als absolute nul aangeduide temperatuur zou worden afgekoeld. De meeste geleerden waren het er eigenlijk wel over eens dat bij het absolute nulpunt de materie uiteen zou vallen! Met het tot stilstand komen van de moleculen in de kristalroosters zou immers ook de binding wegvallen?
Een der weinigen die daarin niet geloofden was onze eigen Nederlandse professor Kamerlingh Onnes, die meende te weten dat de materie door het ophouden van het trillen juist een hechter verband zou krijgen! Hij meende tevens dat op basis daarvan ook elektrische stromen door geleiders tot oneindige waarden zou kunnen aangroeien, daar door het wegvallen van de trilling in het kristalrooster de elektronen zonder enige hinder zouden kunnen migreren.
Zo bestonden er in wetenschapskringen twee kampen. Zij die meenden dat de materie bij het absolute nulpunt uiteen zou vallen en zij die meenden dat dit niet zou gebeuren; sterker nog, er zou een soort supergeleiding kunnen optreden! Vanaf het begin van deze eeuw werden door velen proeven ondernomen om het absolute nulpunt te bestormen. Ook Kamerlingh Onnes nam daaraan deel. Op 10 juli van het jaar 1908 ondernam hij een poging die de wereld later zou doen verstommen! Toen hij in 1913 zijn Nobelprijs kreeg uitgereikt, moest ook Albert Einstein erkennen dat iets "Grossartiges" plaatsgevonden had! De proef op 10 juli 1908 betrof een poging om het edelgas Helium vloeibaar te maken. Zou dat lukken, dan zou er weer een stap zijn gezet om lagere temperaturen na te streven en zodoende uiteindelijk supergeleiding te kunnen aantonen. Kamerlingh Onnes had voor de proef een speciale 5-traps koelmachine gekonstrueerd, welke in de laatste trap, gebruikmakend van vloeibaar waterstof, via een uiterst traag proces van circulatie en expansie de temperatuur zo laag moest brengen, dat zelfs Helium volgens zijn berekeningen vloeibaar moest worden. De proeven begonnen rond zes uur in de morgen en zo'n twaalf uur later was de temperatuur eindelijk gezakt tot 5 graden Kelvin. Met pijn in de ogen van het turen moest Kamerlingh Onnes helaas toegeven dat het Helium nog altijd niet vloeibaar geworden was. Ten einde raad besloot hij de proef te beeindigen op het moment dat zijn kollega prof. Schreinemakers het lab binnenkwam om eens te kijken hoe het er mee stond!
Het was Schreinemakers met nog scherpziende ogen die opmerkte dat de thermometer wel degelijk in een vloeistof stond! De vloeistof/gas scheiding was echter zo messcherp dat slechts met een zeer scherpe lamp onder een hoek het breekvlak duidelijk zichtbaar werd. Voor het eerst in de mensheid was het gelukt Helium vloeibaar te maken en was een moeilijke barriere door-broken op de weg naar nog lagere temperaturen!
Vanaf dat moment vorderde de slag naar het absolute nulpunt met grote schreden. In 1911 was het dan zover dat Kamerlingh Onnes zou aantonen dat supergeleiding geen fiktie doch werkelijkheid was. In een indrukwekkende demonstratie werd bij 4,2 graden Kelvin aangetoond dat een staafje kwik supergeleidend werd. Dit kwam als een schok aan bij hen die altijd het tegenovergestelde hadden gepropageerd. Zij hadden voorspeld dat juist een oneindig hoge weerstand zou ontstaan! Supergeleiding was echter een feit!
Het verschijnsel supergeleiding heeft echter nogal wat voeten in de aarde. Het blijkt nl. dat supergeleiding zeer plotseling bij een bepaalde temperatuur zich gaat voordoen. Fraktionele verschillen tussen normale en supergeleiding liggen in de orde van duizendsten graden! Op het moment dat de supergeleiding inzet en er een zeer hoge stroom gaat lopen, zijn er helaas nog altijd zeer kleine verontreinigingen in het materiaal welke enige, overigens minieme, weerstand teweeg brengen.
Het resultaat zal duidelijk zijn. Door de restweerstand ontstaan kleine I2R verliezen, die het materiaal weer opwarmen en uit supergeleiding brengen! Ook kan het voorkomen dat de meetdraad of -staaf eenvoudig smelt op het moment van intrede van Supergeleiding. Al weer die lastige verontreinigingen!
Zo bleken na vele testen tot op heden, voorheen als ideale metalen aangemerkte stoffen voor supergeleiding, deze totaal waardeloos! Vooral metalen als kwik, tin en lood kunnen absoluut niet tegen hoge stromen en zijn niet blijvend in supergeleiding te houden!
Andere metalen zoals Vanadium, Nobium en een aantal 'nobele' legeringen doen het iets beter. Deze materialen gaan bij fraktionele temperatuurverschillen van geleidend over op supergeleidend. Bij verdere afkoeling volgen enkele elkaar afwisselende banden van normale en supergeleiding. Laten we de temperatuur nog verder zakken verdwijnt de supergeleiding, vreemd genoeg, totaal!
Bij metingen van verschillende meetdraden en -staven bleek het temperatuurpunt danwel de temperatuurband waar supergeleiding optrad niet altijd gelijk. Hiervoor is nog altijd geen eenduidige verklaring gevonden. De eenvoudige oplossing was om een groot aantal dunne meetdraden in elkaar te vlechten of te draaien. Het leuke hierbij is dat, wanneer een draad in supergeleiding gaat, deze de andere(n) daarnaast liggend nog niet supergeleidend, ahw. 'meetrekr. Door dit verschijnsel ontstaat een bredere en stabielere temperatuurband waarin gegarandeerd volledige supergeleiding voorkomt van het betreffende materiaal. Een bijkomend voordeel was dat deze stabiele band meestal tevens de som van de enkelvoudig bestaande temperatuurbanden betrof!
Dat supergeleiding een wezenlijke zaak is van onze tijd valt niet meer te betwisten.
Toch hebben we ook hier weer te maken gehad met het aantonen van een natuurkundig verschijnsel, waar in eerste instantie de theorieen niet konden worden bewezen. Na de ontdekking in 1911 heeft het nog tot 1957 geduurd totdat een plausibele verklaring voor het verschijnsel supergeleiding was gevonden. Prof. Cooper had reeds Lang een theorie, maar kon het ook maar niet bewijzen. Uiteindelijk met zeer geavanceerde apparatuur heeft men kunnen 'zien' dat hij gelijk had! De theorie, en nu dus werkelijkheid, was en is dat valentie elektronen zich veelal in paren voortbewegen. Dicht bij het absolute nulpunt trilt het kristalrooster echter zodanig, dat het paar elektronen samen, kinetische energie aan elkaar overdragend, zich gaan verplaatsen. Het eenvoudigst denkbare voorbeeld zijn de twee knikkers op een semi-strak gespannen rubber vel. De ene knikker maakt een kuiltje en de andere knikker heeft de neiging er naar toe te rollen. Raakt de tweede knikker de eerste, dan draagt deze kinetische energie over en geeft de eerste een zetje, enz. enz.
Een andere variatie is natuurlijk u en uw partner in bed! Heeft u ook altijd de neiging daarheen te rollen waar de diepste kuil is? Of gaat het bij u andersom.... We zullen dat onderwerp maar laten rusten, lijkt mij zo!
Nog even voor de 'neusjes van de zalm nieuwsgierigen' onder u het volgende: het principe van supergeleiding berust in feite op het felt dat bij een normaal geleidingsproces de valentie elektronen botsen met positief geladen ionen. Deze botsing, in feite de weerstand van het materiaal, maakt warmte vrij. Dicht bij het absolute nulpunt trillen de ionen veel trager (tot zover klopte de theorie van de ongelovige thomassen!) en vallen ahw. 'gaten' waardoor minder botsingen tussen vrije elektronen en ionen voorkomen. Het langzamer trillen van het rooster heeft bovendien nog tot gevolg dat het positief geladen ion een negatief elektron aantrekt en samen een 'paar' gaat vormen. Deze ion/elektron paren vormen een steeds hechtere eenheid. Uiteindelijk 'klontere een groot aantal paren zich aaneen, die eenmaal op gang gebracht (de stroom die loopt) niet meer te stuiten is. Op dat moment zet supergeleiding in.
Op dit moment wordt er overal op aarde koortsachtig gewerkt om supergeleiding gemeengoed te maken. Voor het eerst in de mensheid kunnen er waanzinnig sterke elektro-magneten worden gebouwd welke hoognoodzakelijk zijn voor de totstandkoming en instandhouding van het ongevaarlijke kernfusie proces. De energie voor de toekomst!
'De Bliksem Getemd' is een populaire kreet. Toch is het waar. Supergeleidende magneten zijn in staat zulke grote veldsterkten op te wekken (tot 30 Tesla (!), een Japans rekord), welke plasmabollen beter in bedwang weten te houden. In vergelijking tot een normale elektro-magneet, even afgezien van de verschillen in afmetingen, kwamen we tot op heden niet veel verder dan 1-2 Tesla! Toch ontbreekt het ons op het moment nog aan de juiste metaallegeringen om supergeleiding op grote schaal in te zetten. Niet zonder enige trots is op het moment een Nederlands bedrijf in het middelpunt van de wereld belangstelling. Het bedrijf SLE ofwel Superconductors Lips Energie onderzoek centrum te Drunen verricht baanbrekend werk. Hier worden momenteel hoogwaardige supergeleiders ontwikkeld uit de legering Nobium-Tin. ledereen heeft zeer hoge verwachtingen van dit nieuwe materiaal. Het bedrijf levert momenteel honderden supergeleidende magneten aan het Duitse HERA projekt in Hamburg. In tweede instantie wordt waarschijnlijk geleverd aan de nieuw te bouwen deeltjes versneller van de CERN bij Geneve. Daarna moet in 1995 de in de USA geplande SCC (Super Conducting Collider) volgen!
Het Nobium-Tin draad is zeer bros en erg moeilijk verwerkbaar. Het prachtige van deze legering is dat het reeds bij veel hogere temperaturen supergeleidend wordt dan andere metalen/legeringen. Dit betekent natuurlijk grote kostenbesparingen qua koeltechnieken.
Als ik dit zo opschrijf en aan SLE denk en anderen in dit land die met deze materie bezig zijn, schiet mij een liedje van Fred Piek in gedachten. "Zijn dat nou die Hollanders 9" Kent u het ook? Fred bedoelde het wat satirisch; Kamerlingh Onnes was en SLE is realiteit!!! Als Nederlanders met recht iets om trots op te zijn!
In de USA wordt momenteel geexperimenteerd met een 100 meter Lange transmissiekabel die supergeleidend wordt gemaakt door vloeibare Helium. Deze kabel blijkt moeiteloos 1400 Megawatt (!!!) te kunnen transporteren! In de Sovjet-Unie draait al een elektriciteitscentrale met 300 MWatt supergeleidende generatoren! Rendementsverlies 0,8%!!! De rotor welke supergeleidend nobiumdraad bevat is tevens zeer licht. De stator levert direkt een spanning aan het net van 100 kV. Dat is rond 5 x zo hoog als conventionele statoren leveren. Een geweldige besparing dus aan dure transformatoren. Een volgend USSR projekt beoogt een 3000 MW en daarna een 5000 MW generator!
Voordat ik hier verder op in ga, schiet mij een vraag te binnen. Hoe ver zijn wij van het perpetuum mobile? Gekke vraag? Helemaal niet...!
Waarom bestaat bij de tot stand koming van de droom van supergeleiding het perpetuum mobile nog niet? Immers in een supergeleider zal een eenmaal geinduceerde stroom nooit ophouden te vloeien, ook al nemen we de bron weg! Maar laten we niet vergeten dat er schier oomogelijke koelapparatuur nodig is om supergeleiding te bewerkstelligen. Wat denkt u van de energie die daarin steekt?
De grote droom van iedere natuurkundige is nog altijd een materiaal te ontdekken c.q. samen te stellen dat bij kamertemperaturen supergeleiding zal opleveren. Op dat moment zou het perpetuum mobile een feit kunnen worden. Immers, dan is er geen energie meer nodig tot afkoeling!
Het huidige supergeleiding rekord is thans bij 23.3 K (ofwel -249.8 C). Dit is naar verhouding met de eerste proef van Kamerlingh Onnes al een heel hoge temperatuur! Echter bij deze temperatuur is nog steeds vloeibare waterstof benodigd, hetgeen een relatief dure aangelegenheid is. Het volgend streven is natuurlijk supergeleiding te bewerkstelligen bij 77 K (-196 C). Deze temperatuur wordt veel gemakkelijker en goedkoper bereikt met vloeibare stikstof. Een heel leuk nieuwtje is dat sinds kort ook ontdekt is dat bepaalde organische verbindingen supergeleidend te maken zijn. De ontwikkeling staat echter nog in de kinderschoenen. Deze organische verbindingen zijn ingewikkelde samenstellingen van koolstof, stikstof, zwavel, etc. De moleculaire binding laat geleiding toe en supergeleiding treedt op bij enkele graden Kelvin en dan nog onder zeer hoge druk! Maar met deze ontwikkeling wordt meer dan ooit duidelijk dat, zoals met zovele zaken, we weer veel en goede chemische onderzoekers in de toekomst nodig zullen hebben. Vooral in de Hydro-Carbons (KoolWaterstoffen) zal binnenkort nog veel gepresteerd worden!
Dit brengt mij aan het eind van dit verhaal over supergeleiding. Via het vloeibaar Helium naar het supergeleidende kwik. Een eerste stap. Nu staan er al, zo'n 75 jaar later, monsterachtige generatoren te draaien en kunnen we praktisch energie verplaatsen zonder verliezen. Onder hoge drukken en temperaturen houden waanzinnig sterke supergeleidende magneten plasmabollen in toom en imiteren we de realiteit van onze zon!
Wat dacht u overigens van de 'MAGLEV' treinen in Japan en Duitsland? Hier worden op supergeleidende magneten 'drijvende' treinen tot snelheden van 500 km opgejaagd. Nog even en u rijdt binnen een uur naar Parijs met zo'n trein!
Even heb ik het proces van Kernfusie aangehaald. De grote gevaren van de verouderde kernreaktie zijn daarmee ook van de baan. En dan, wat te zeggen van het kleine SLE en haar Nobium-Tindraad als enige in de wereld?
Denkend aan Kamerlingh Onnes hebben we in SLE een waardig opvolger en voorzetter van een traditie van klasse gevonden! Ja, en voor de zendamateurs?
Uw gas-fet in het vriesvak van de koelkast zal niet veel doen. Een simpele stikstofkoeler brengt daarentegen de ruffs van ver verwijderde sterrenstelsels bij u binnen. Met uw maanreflekties zal het waarachtig wel gaan!
(Hebben we die kilowatt eindtrappen dan ook niet meer nodig, of wel soms?)
Henk Huizinga, PA0PRT.