Vedci sa pri supravodičoch pomýlili už druhýkrát. Odborník vysvetľuje, ako sa využívajú v zdravotníctve či energetike

Výskumu supravodivosti sa posledné týždne dostalo pozornosti vďaka kórejským fyzikom, ktorí dúfali, že objavili prelomový materiál hodný Nobelovej ceny. Keďže vedecká komunita sa z takýchto objavov nezvykne tešiť predčasne, niekoľko vedeckých tímov skúsilo materiál s názvom LK-99 podľa ich receptu upiecť. Do troch týždňov tak zistili, že trojica vedcov neobjavila materiál, ktorý by dokázal viesť elektrinu bez strát pri izbovej teplote, ale pravdepodobne len obyčajný magnet.

Odborníka na supravodivé materiály Fedora Gömöryho sme sa preto pýtali, ako sa takéto omyly vo vede riešia, kde môžeme už dnes benefitovať zo supravodivosti, kde možno o pár rokov a ako ďaleko sme od uskutočnenia jadrovej fúzie, ktorá nám desaťročia zostáva „na dosah ruky“.

V rozhovore sa okrem iného dočítate:

• prečo by nechcel byť mladým kórejským vedcom;
• o chybe, ktorá sa už pred 40 rokmi raz stala;
• ako vďaka supravodivosti funguje magnetická rezonancia;
• koľko energie by ušetrilo, keby sme stožiare veľmi vysokého napätia nahradili supravodivými káblami;
• prečo je supravodivosť nevyhnutná na uskutočnenie jadrovej fúzie.

Tento článok si môžete prečítať vďaka ESET Science Award – oceneniu, ktoré podporuje výnimočnú vedu na Slovensku. 

Na začiatok si povedzme, čím sa supravodič líši od obyčajného kovu?

Tým, že je schopný prenášať jednosmerný elektrický prúd bez odporu a vďaka tomu aj bez straty energie. Je tam však jeden háčik. Je toho schopný len za istých podmienok, ktoré sú veľmi odlišné od tých, v ktorých žijeme. Základom je takzvaná kritická teplota. Všetky supravodiče, ktoré sa v súčasnosti používajú, potrebujú chladenie na menej než – 190°C. A to už hovorím o takzvaných vysokoteplotných supravodičoch. Tie, ktoré sa doteraz najviac používajú v praxi, potrebujú schladiť až na zhruba -270°C. To je hlavnou prekážkou v tom, aby nám mohli slúžiť v každodennom živote. Preto keď sa objaví informácia, že niekto spravil materiál, ktorý vedie bez odporu elektrický prúd za normálnych okolností a pri izbovej teplote, tak je to bomba. Akurát táto sa ukázala ako nefunkčná.

Schladiť supravodiče na takúto teplotu znie draho a technologicky náročne. Ako sa to robí?

Zvyčajne musíte znížiť nielen teplotu supravodiča, ale aj celého zariadenia, v ktorom slúži. Klasický prístup je, že do tepelne izolovaného priestoru nalejete nejakú veľmi chladnú kvapalinu. Napríklad vo Veľkom hadrónovom urýchľovači v CERN-e je to kvapalné hélium. My na ústave pracujeme s vysokoteplotnými supravodičmi, ktoré stačí zaliať kvapalným dusíkom. Keďže kvapalný dusík je viac ako 100-krát lacnejší než kvapalné hélium, tak je jasné, prečo sa zaoberáme týmto typom supravodičov. Druhá možnosť je schladiť to pomocou nízkoteplotnej chladničky, čo je technológia, ktorá posledné roky zaznamenala dosť veľký rozmach.

Kde vznikol nápad pozrieť sa hlboko do štruktúry materiálov a zisťovať, či sa v nich s klesajúcou teplotou nezmenšuje aj odpor?

Bernd T. Matthias bol vedec, ktorý ako prvý zistil, že kombinácie niektorých prvkov sú supravodivé, a odvtedy hľadáme materiály, ktoré sú vhodné na výrobu supravodičov. Vedci, ktorí objavili prvý vysokoteplotný supravodič, sa pravdepodobne takúto zlúčeninu snažili pripraviť cielene, ale videl som aj veľa úspešných objaviteľov, ktorí jednoducho vyskúšali niečo, o čom si mysleli, že môže fungovať, a mali šťastie.

Pripomína teda príprava supravodičov kuchynské recepty, s ktorými môžete experimentovať, a buď vám vyjde super nadýchaný koláč, alebo spečený kus na dne plechu?

Asi tak nejako. Všeobecne akceptovanú teóriu máme len pre nízkoteplotné kovové supravodiče. Pri všetkých ostatných sa teoretici nevedia zhodnúť, prečo fungujú aj pri vyšších teplotách, takže je to veľa o skúšaní.

Recept na svoj supravodič zverejnili aj spomínaní kórejskí vedci. Keďže supravodivosti sa venuje veľké množstvo vedeckých skupín, nebol problém v krátkom čase overiť, že nefunguje. Ako prebieha takáto spätná kontrola?

My sme to neskúšali, pretože nerobíme výskum, v ktorom by sme sa snažili hľadať nové supravodiče. Hľadáme čo najlepšie uplatnenie tých, ktoré už existujú a sú vo fáze, v ktorej môžeme uvažovať o tom, ako z nich spraviť magnet, transformátor či kábel. To zverejnenie dát kórejských vedcov bolo polovičné, pretože ich nepublikovali vo vedeckom časopise, ale dali ich na stránku, kam vedci posielajú zatiaľ nezrecenzované údaje. No postup prípravy, ktorý v článku opísali, bol pomerne jednoduchý na prípravu aj overenie. Takže sa dosť rýchlo zistilo, že to nefunguje.

Prečítajte si

Na vyvrátenie senzácie stačili tri týždne. LK-99 nie je supravodič, kórejskí vedci sa dopustili omylu

Aj vy by ste taký materiál dokázali upiecť?

Áno, aj som sa kolegu pýtal, či to neskúsime. Ale nakoniec sme to vyhodnotili ako zbytočné, lebo na svete sú oveľa lepšie vybavené pracoviská, ktoré vedia presne zistiť, čo vlastne pripravili, či sú tam nečistoty a akú má materiál štruktúru. Všetky tieto veci treba overiť, ak by sa aj sa ukázalo, že niečo takéto zázračné vieme upiecť.

Spomínaná štúdia bola publikovaná neštandardne aj preto, lebo traja vedci sa od pôvodnej výskumnej skupiny odtrhli a predčasne zverejnili dáta, aby svojich kolegov predbehli. Špekulovalo sa, že to urobili, pretože Nobelovu cenu za jeden objav si môžu rozdeliť maximálne traja ľudia. Čo si o tom myslíte?

Myslím si, že je to tak. Dodal by som, že ešte pred 25 rokmi neznamenala Kórea v supravodivosti skoro nič. No potom výrazne investovala do podpory vedy vo všetkých možných oblastiach, vďaka čomu sú dnes Kórejčania v počte účastníkov vrcholných konferencií o supravodivosti na 3. až 5. mieste. To je vzhľadom na veľkosť krajiny ohromné.

K situácii mohlo prispieť aj to, že kórejská veda má veľmi súťaživý systém kariérneho financovania. Asi by som nebol úplne šťastný ako mladý kórejský výskumník, ktorý musí bojovať „o prežitie“. Na druhej strane, vedci, ktorí majú za sebou nejaké úspechy, majú v krajine obrovskú podporu. Vidím tam teda veľký tlak na výsledky a jasný odkaz – chceme Nobelove ceny.

Asi sa im teraz bude ťažko vracať do pôvodného výskumného prostredia, z ktorého sa odtrhli. Dokážu vedci takéto pokusy o únik stráviť pre dobro ďalšieho výskumu?

Vnútri toho kolektívu to určite vyvolá nejaké veľké, možno aj trvalé spory. Ale celý tento príbeh podľa mňa veľmi pekne ilustruje, ako dobre vlastne veda funguje. Pretože to predbežné zverejnenie vlastne spustilo celosvetovú kontrolu. Začalo to skúšať množstvo ľudí a hneď niekoľko prác ukázalo, že ich recept nefunguje. Ďalšie práce ukázali, že to pravdepodobne ani nemôže fungovať.

Zaujímavosťou je, že to, čo kórejskí vedci namerali, sa už pred vyše 40 rokmi raz stalo. Ide o prudkú zmenu elektrickej vodivosti pri zmene štruktúry disulfidu medi a aj pred rokmi si tí vedci mysleli, že našli prechod do supravodivého stavu. Takže vedci relatívne jednoduchú chybu zopakovali dvakrát. Ale po boji sa to každému ľahko hovorí. Ja si dokonca trúfam povedať, že okrem toho, že sa tím na publikovaní nedohodol, nespravili vedci žiadnu závažnú chybu. V podstate spravili ľudstvu službu, lebo vyvolali záujem o túto oblasť, inšpirovali kolegov z celého sveta, aby to nejako vyskúšali, a získali sme nové poznatky.

Je podľa vás správne snažiť sa výsledky publikovať čo najskôr, aby človeka niekto nepredbehol, alebo sa sústrediť na niekoľkonásobné overovanie, aby sa vyhol základnej chybe ako v tomto prípade?

Skôr ako s vedou to súvisí s ľudskými povahami, ktoré sú rôzne. Ja osobne som opatrnejší, čiže by som s publikovaním počkal. Na druhej strane som žiadnu dieru do sveta zatiaľ neurobil, takže táto taktika možno nie je správna.

Recept na zázračný supravodič od kórejských vedcov nefunguje, no výskumu sa vo svete paralelne venuje množstvo ďalších skupín. Ktoré odvetvia považujete za najsľubnejšie?  

Jednou oblasťou je, samozrejme, hľadanie materiálov, ktoré by boli supravodivé v podmienkach bližšie nášmu bežnému životu. Na tom robí veľa teoretikov a materiálových vedcov. Ale dôležitá je podľa mňa aj oblasť, ktorá hľadá efektívnejšie uplatnenie už existujúcich supravodičov. Tam spadá aj naša výskumná skupina. Zoberte si, že dnes máme napríklad magnetické rezonancie pomaly v každej nemocnici. Vo všetkých je supravodivý magnet, ktorý je nízkoteplotným supravodičom a vytvára magnetické pole do 2,5 tesla. No a čím vyššie by sme to magnetické pole mali, tým by bola väčšia presnosť obrazu, na ktorý sa lekár pozerá.

Ako magnetická rezonancia vďaka supravodivosti funguje?

Je založená na tom, že každé jadro konkrétneho prvku začne v istom magnetickom poli kmitať typickou frekvenciou. Magnetická rezonancia nám teda dáva obraz o rozložení rôznych prvkov v ľudskom tele a z anomálií vedia lekári usúdiť, v akom stave máme jednotlivé tkanivá.

Akú úlohu v tom hrá, že magnet je supravodivý?

Takú, že čím vyššie máme magnetické pole, tým lepšie vieme rôzne signály oddeliť. Bežný dvojteslový magnetický rezonančný prístroj je v podstate ako čiernobiely televízor. No desaťteslový by bol ako farebný. Také magnetické rezonančné prístroje ešte v nemocniciach nemáme ani ich tak rýchlo mať nebudeme, ale niektoré firmy už na nich pracujú. Jednou z ciest, ktorá sa momentálne skúma, je použitie vysokoteplotných supravodičov, ktoré by umožňovali magnetické polia zvýšiť dokonca nad 20 tesla. To by bolo skutočne obrovské zvýšenie rozlišovacích schopností.

K využitiu vysokoteplotných supravodičov v praxi patria aj krátke trasy supravodivého bezkoľajového vlaku Maglev. Čo bráni tomu, aby sa levitujúce vlaky uplatnili na dlhšie vzdialenosti?

Myslím si, že v tomto prípade to nie je problém supravodivosti, ale dopytu po takýchto rýchlych vlakoch. Možno si pamätáte, keď boli na Slovensku zástupcovia projektu Hyperloop. Šlo síce o iný spôsob riešenia vysokorýchlej dopravy, ale asi sa ukázalo, že takáto potreba nie je dostatočne veľká. Levitácia je len jedným z možných využití supravodivosti, ale myslím si, že sú aplikácie, kde je ten dopyt oveľa väčší. My sme napríklad zapojení v medzinárodnom výskume, ktorý vyvíja supravodivé káble pracujúce v jednosmernom režime. Hlavným cieľom je vyvinúť kábel, ktorý bude pri nižšom napätí prenášať vyššie prúdy, než prenáša dnes. Ochranná zóna takéhoto kábla by teda bola oveľa menšia.

Čo by to znamenalo v praxi?

Ideálne by bolo, keby sme taký kábel zakopali pod zem a nahradili by sme ním stožiare veľmi vysokého napätia, ktoré máme po krajine.

Aké percento elektrickej energie by sme ušetrili, keby sme ju prenášali podzemnými supravodivými káblami a nie káblami na stožiaroch?

Kolegovia z Nórska spravili podrobnú analýzu prenosu z farmy veterných turbín ako zdroja jednosmerného prúdu. Na takejto farme v plytkom mori sa dá pomerne jednoducho dosiahnuť jednosmerné napätie zhruba do 50 kV. Keby sme takúto jednosmernú elektrinu chceli prenášať zo zdroja klasicky, musíme ju najprv premeniť na striedavý prúd a transformátorom zvýšiť napätie približne desaťnásobne. Keď potom príde k užívateľovi, musíme ísť s napätím naspäť dole, na čo potrebujeme ďalší transformátor. Tieto dva úkony by sme pomocou supravodivého kábla mohli vynechať a mohli by sme to celé preniesť na 50 kV. Keďže by to bolo pri jednosmernom prúde, v ktorom supravodič prenáša prúd bez strát, úspora nákladov by podľa tejto analýzy bola asi 35 % za 40 rokov. V tom sú už zarátané aj vyššie investičné náklady, ktoré si supravodivé káble vyžadujú.

Ako ďaleko sme od toho, aby to bolo realitou?

Dosť, pretože sú tam dva typy prekážok, ktoré sa snažíme prekonať. Jeden je technický. Keby ste dnes boli riaditeľom nejakej elektrárenskej firmy a poviete si, že chcete prepojiť 40-kilometrový úsek supravodivým káblom, nenájdete naň výrobcu. Nájdete firmy, ktoré vám povedia, že sa do toho pustia, a za tri roky spravia kilometrový skúšobný prototyp. No zatiaľ najdlhší nainštalovaný supravodivý kábel má cca 5 kilometrov. Takže je vo veľmi počiatočnom štádiu.

Keby sme aj predpokladali, že nejaká firma 40-kilometrový supravodivý kábel vo svojom katalógu má, narazíte na ďalší technický problém. Väčšinu energetickej siete máme v striedavom prúde, v ktorom sa výhoda supravodičov stáva ich nevýhodou a vznikajú pri ňom „striedavé straty energie“. Naša výskumná skupina je vo svete známa tým, že sa zaoberá práve výskumom, ako tieto straty prekonať. Úplne najlepšie by pre nás, samozrejme, bolo, keby celá energetika prešla na jednosmerný prenos. To by však vyžadovalo niečo podobné, ako keby sme zrazu namiesto po pravej strane cesty chceli začať chodiť po ľavej.

Supravodivosť je dôležitá aj pri snahe o jadrovú fúziu, ktorá by znamenala čistú energetiku. Už desaťročia sa hovorí, že ju máme na dosah ruky, no stále tam aj zostáva. Prečo sú pre jej úspešnosť dôležité supravodivé materiály?

Trúfam si povedať, že sú pre ňu nevyhnutné a fúzia bez nich nemá zmysel. Je to preto, lebo výkon fúzneho reaktora narastá so štvrtou mocninou magnetického poľa. Klasickými vodičmi vieme vytvoriť magnetické pole okolo 2 tesla. No so supravodivými už prebehli testy, v ktorých sa kolegom z Massachusetts Institute of Technology (MIT) podarilo dokázať, že sa dá dosiahnuť aj 20 tesla. Takže keď si to dáte na štvrtú, ide o desaťtisícnásobne väčší výkon než bez supravodivých materiálov.

Jednou z vlajkových lodí výskumu jadrovej fúzie je medzinárodný experiment ITER. Ten má dokázať, že fúzny reaktor je realizovateľný, no zatiaľ je len vo výstavbe. Kedy sa má spustiť?

Je dobré povedať, že samotná fúzna reakcia v reaktore ITER-u má síce produkovať desaťkrát viac energie, než bolo potrebné na jej spustenie, no tých zvyšných 90 % spotrebujú jej obslužné systémy. ITER ako celok teda nebude produkovať energiu, má len dokázať, že fúzna reakcia je toho schopná.

Zatiaľ je v projekte veľmi veľa omeškaní, no na druhej strane je veľký politický tlak, aby už konečne niečo ukázal. Takže očakávam, že sa to bude spúšťať po častiach, a keď sa to všetko skončí dobre, tak sa možno podarí spraviť experiment s jednoznačnou produkciou energie.

Kedy by to asi malo byť?

To vám neviem povedať. Už to bolo toľkokrát odložené, že ani ľudia, ktorí sú k tomu projektu bližšie, by vám asi nevedeli odpovedať. Ja som to už, priznám sa, prestal sledovať. Momentálne sledujeme najmä kolegov, ktorí robia na kompaktných fúznych reaktoroch s vysokým magnetickým poľom – takzvaných Kompaktných TOKAMAK-och.

V ostatnom období pritiahli veľké investície malé firmy, ktoré sa o tento prístup zaujímajú, a pokroky vidíme z roka na rok. Trúfol by som si povedať, že do desiatich rokov buď ukážu, že dokážu produkovať elektrinu, alebo že v tom celom bola nejaká základná chyba a nebude to fungovať.

Čo by pre svetovú energetiku znamenalo, ak by sa či už TOKAMAK-om, alebo ITER-u podarilo dokázať, že jadrová fúzia dokáže produkovať energiu?

Mali by sme ďalší zdroj energie, ktorý je relatívne čistý, aj keď tam zahrnieme všetky možné materiály, ktoré pri ňom treba použiť. Bude tam aj nejaký tok neutrónov, ktoré bude treba zachytávať, čiže to nie je úplne bezproblémové, ale išlo by o zdroj, ktorý na rozdiel od štiepneho jadrového reaktora prináša podstate menej problémov a nebezpečenstiev.

Vy sa v rámci jadrovej fúzie venujete projektu vysokoteplotných supravodičov DEMO. O čo v ňom ide?

Je to koncept reaktora, ktorý by na rozdiel od ITER-u už fungoval ako elektráreň, čiže by dodával elektrinu do siete. Ide o výskum v rámci projektu Eurofusion, do ktorého sú zapojené skoro všetky európske krajiny, a momentálne v ňom súťažia dva prístupy. Jeden je, že treba použiť to najlepšie, čo sa v ITER-i podarilo vyvinúť. Druhý, že ani to nebude stačiť a treba hľadať nejaké inovácie. Jedna z nich je, že časť supravodivých magnetov bude z vysokoteplotných supravodičov. A práve to nás zaujíma. Skúmame, aké vlastnosti majú v teoretických podmienkach fúzneho reaktora, v ktorých častiach by sa dali najlepšie využiť a tak ďalej.

Výskumu supravodivosti sa venujete desiatky rokov. Aké objavy a slepé uličky, podobné tým tohtoročným, ste za ten čas v oblasti videli?

Najväčším objavom boli jednoznačne vysokoteplotné supravodiče. Predtým bolo pri každom experimente treba chladiť supravodiče kvapalným héliom. Každý experiment bolo treba dopredu veľmi dobre premyslieť a jeho príprava si vyžadovala množstvo technickej práce. Pri vysokoteplotných supravodičoch jednoducho zoberieme nádobu s kvapalným dusíkom a vodič, ktorý nás zaujíma, ním zalejeme. Takže pre výskum je to oveľa atraktívnejšie.

Vysokoteplotné supravodiče pritom podľa odborníkov ani nemali existovať a dlho vládlo presvedčenie, že niečo také je fyzikálne nemožné.

Áno, takých predpovedí bolo viacero, no našťastie nie všetci im uverili. Podobne je to teraz s tým supravodičom za izbovej teploty. Sú teoretici, ktorí tvrdia, že keď budeme mať materiál, ktorý je supravodivý pri izbovej teplote, tak „tepelné aktivácie“ povedú k tomu, že nebude schopný prenášať elektrický prúd bez odporu. Ale to, že nepôjde o nulový odpor, nejako veľmi neprekáža. Stačí, že bude povedzme 10-krát menší, ako je odpor medi, a stále bude veľmi atraktívny materiál.