Er wordt onderzoek gedaan naar hernieuwbare energie om het probleem van de kooldioxide-uitstoot bij de opwekking van energie uit fossiele brandstoffen op te lossen, waaronder kernfusie-energie die wordt opgewekt in tokamaks met behulp van supergeleiders. Supergeleiders hebben geen weerstand bij extreem lage temperaturen, waardoor er sterke elektriciteit doorheen kan stromen, wat essentieel is voor het creëren van kunstmatige zonnen. Toekomstige ontwikkelingen in de supergeleidertechnologie kunnen groene energie opleveren zonder het milieu te vervuilen.
De opwekking van energie uit fossiele brandstoffen is bekritiseerd vanwege de buitensporige uitstoot van kooldioxide, die het broeikaseffect heeft veroorzaakt en de opwarming van de aarde heeft versneld. Als oplossing wordt actief onderzoek gedaan naar hernieuwbare energiebronnen die het milieu niet vervuilen, en een daarvan is kernfusie-energie. Kernfusie is wanneer twee of meer atoomkernen samenkomen om een nieuwe kern te creëren. Bij dit proces komt door het verlies van massa een grote hoeveelheid energie vrij, wat 'fusie-energie' wordt genoemd.
De zon is een goed voorbeeld van een bron die dit proces gebruikt om enorme hoeveelheden energie te produceren. De zon gebruikt hoge temperaturen en hoge druk om energie te creëren door waterstofkernen samen te smelten. Deze energie is zo enorm dat het voldoende is om de fotosynthese in planten aan te drijven en veel levende wezens op aarde warm te houden. Dit natuurwonder heeft mensen geïnspireerd, en we hebben hard gewerkt om dezelfde energiebron op aarde te repliceren.
Het gebruik van kernfusie-energie vereist omstandigheden van extreem hoge temperatuur en druk. Om aan deze voorwaarden te voldoen zijn gespecialiseerde schepen en technologieën nodig. Je kunt het gemakkelijk zien als een vat voor een ‘kunstmatige zon’. Daarom hebben wetenschappers een nieuw type schip ontwikkeld, een tokamak.
De tokamak lijkt op het eerste gezicht op een donut. Binnenin ondergaan waterstofatomen een kernfusiereactie om een kunstmatige zon te creëren. Hoe de omstandigheden van ultrahoge temperatuur en ultrahoge druk die dit veroorzaken in stand kunnen worden gehouden, ligt verborgen in de donutvorm. De tokamak heeft spiraalvormige draden die de donutvorm omringen, en wanneer elektriciteit op die draden wordt toegepast, wordt er binnen de spiraal een magnetisch veld gevormd – de vorm van de tokamak – waardoor de temperatuur en de druk in de tokamak stijgen en de kunstmatige deeltjes worden gevangen. zon binnen het magnetische veld. Het is echter niet mogelijk om ultrahoge temperaturen en drukken te creëren met gewone draden, zoals eenvoudig koperdraad, omdat de weerstand van de draad zelf en de hitte die deze genereert het voor de tokamak onmogelijk zouden maken om te werken als deze een stroom zou laten stromen. overmatige hoeveelheid elektriciteit. Om dit te compenseren moeten we draden gebruiken die gemaakt zijn van een speciaal materiaal dat geen weerstand heeft en dus geen warmte genereert. Dit is de sleutel tot de tokamak.
Bestaan er materialen zonder weerstand? Ja, ze bestaan. Natuurlijk alleen onder speciale omstandigheden, maar er zijn materialen die geen enkele weerstand hebben: ‘supergeleiders’. Een supergeleider is een materiaal waarvan de weerstand op een gegeven moment tot nul daalt bij een zeer lage temperatuur, zoals cryogene temperaturen. Om supergeleidende draden te gebruiken, laat Tokamak vloeibaar helium, dat min 269 graden Celsius is, rond de draden stromen. Het doel van dit vloeibare helium is om de temperatuur van de supergeleider op cryogene temperaturen te houden.
Waarom heeft een supergeleider dan geen weerstand bij cryogene temperaturen? De reden is dat wanneer de temperatuur onder een bepaald punt daalt, de elektronen zich paren en een gedrag vertonen dat niet zichtbaar is bij kamertemperatuur. Dat punt wordt de ‘kritische temperatuur’ genoemd en de paren worden ‘Cooper-paren’ genoemd. Elektrisch gezien, wanneer een negatief geladen elektron door een rooster van positief geladen elektronen gaat, zorgt de elektrostatische aantrekkingskracht ervoor dat het rooster enigszins kantelt in de richting van het elektronpad. Het elektron dat volgt zal meer beïnvloed worden door de positieve lading dan het elektron dat ervoor ging. In dit proces vormen twee elektronen een paar.
Wanneer twee elektronen een Cooper-paar vormen en zich als één enkel deeltje gedragen, worden ze ‘georiënteerd’. Voorheen waren individuele elektronen 'symmetrisch' in plaats van 'directioneel' omdat ze allemaal in verschillende richtingen bewogen, maar na het vormen van een Cooper-paar hebben alle Cooper-paren de eigenschap dat ze in één richting willen stromen, dus alle elektronen gedragen zich alsof ze waren één enkele massa. Deze zelfde georiënteerde Cooper-paren zullen blijven stromen, zelfs als ze obstakels tegenkomen, wat betekent dat elektrische weerstand volledig wordt geëlimineerd. Om deze reden wordt bij temperaturen lager dan een kritische temperatuur de weerstand geëlimineerd, waardoor er sterkere elektriciteit kan stromen.
Tot nu toe hebben we gezien hoe supergeleiders een sleutelelement zijn in kernfusie-energie. Over een paar decennia, wanneer supergeleiders met hogere kritische temperaturen worden ontwikkeld en de supergeleidertechnologie geavanceerder wordt, zal kernfusie-energie op de markt worden gebracht en zullen mensen over de hele wereld kunnen genieten van de voordelen van schone, hernieuwbare energie zonder het milieu te vervuilen. Ook diverse lopende onderzoeksprojecten spelen een belangrijke rol bij het realiseren van deze visie. Deze technologische vooruitgang zal de weg vrijmaken voor een beter milieu en duurzame energie voor toekomstige generaties.
