Enerji İletiminde Geleceğin Teknolojisi: Süperiletkenlik Nedir?

Süperiletken maddeleri daha önce duymuş muydunuz? Belirli şartlar altında elektriğin kayıpsız bir şekilde aktarılmasını sağlayan bu maddeler, insanlığın geleceğini yönlendirecek teknolojilerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynayabilir..

Süperiletkenlik ve süperiletken maddeler, enerji verimliliğini en yüksek noktaya çıkarma başta olmak üzere sağlık, ulaşım, enerji üretimi ve yeni bilimsel keşiflerin gerçekleşmesine yardımcı olma potansiyeline sahiptir.

Süperiletkenliğin ne olduğu, neden önemli olduğu ve geleceği hakkında merak ettiğiniz soruların cevabı yazımızda sizi bekliyor.

Süperiletkenlik Nedir? 

Süperiletkenlik (superconductivity), süperiletken olarak sınıflandırılan maddelerin soğutularak elektriksel dirençlerinin ortadan kalkması ve manyetik alanları dışlaması durumudur. Her madde için farklı olan kritik sıcaklığının altındaki değerlere soğutulması ile elektriksel dirençlerinin sıfırlanması, üzerlerinden kayıpsız olarak akım geçebilir ve manyetik alanı dışlayarak kendilerine uygulanan manyetik alanı itme özelliği gösterirler.

Elektrik terimleri konusunda bilginiz varsa elektriği ileten maddelerin, iletken maddeler olarak adlandırıldığını biliyorsunuzdur. Altın, bakır gibi elementler elektrik akımını son derece iyi iletmektedir. Ancak bu maddelerin elektrik akımına uyguladığı bir direnç bulunur ve bu direnç güçten kayıplar oluşmasına neden olur. Özellikle uzun mesafelerde, üretilen elektrik gücünde kullanıcılara ulaşana kadar ciddi oranlarda kayıplar yaşanır.

Düşük sıcaklıklarda elektrik akımına karşı direnç göstermeyen süperiletkenler, elektriği tamamen kayıpsız bir şekilde iletirler. Bu sebeple de süperiletken olarak adlandırılmışlardır. Aynı zamanda bu türden maddeler diamanyetik özellik sergiler ve mıknatıslar tarafından itilirler.

Oldukça düşük sıcaklık değerlerinde süperiletkenlik özelliği kazanan maddeler, teknolojik gelişmeler için son derece önemlidir. Süperiletken maddelerin üzerlerinden geçen elektriğe karşı direnç göstermeme özelliği ile bu maddeler kullanılarak elektriğin kayıpsız bir şekilde aktarılması mümkündür.

Üretilen enerjinin aktarımı ve depolanması söz konusu olduğunda daha verimli sistemler kurulabilir. Süperiletken maddeleri bu kadar önemli yapan bir başka konu ise bu maddelerin kullanılarak üretildiği süpermıknatıslar yardımıyla maglev trenleri, MRI cihazları gibi son teknoloji cihazlar geliştirilebilmesidir.

Bu türden maddelerin yaygın olarak kullanılmasının önündeki en büyük engel ise düşük sıcaklıkların sürekli olarak sağlanması gerekliliğidir. Bilim insanları oda sıcaklıklarında süperiletken özellik gösteren maddeler oluşturmak için umut vadeden çalışmalar yürütmektedir.

Süperiletken maddeleri daha iyi anlayabilmeniz için nasıl sınıflandırıldıklarına, hangi alanlarda kullanıldıklarına ve süperiletken maddelerin tarihine bakmak faydalı olacaktır.

Süperiletkenler manyetik alana verdikleri tepkiye, kritik sıcaklığına, malzemesine ve işleyiş teorisine göre olmak üzere farklı şekillerde sınıflandırılır.

Manyetik Alana Verdikleri Tepkiye Göre Süperiletkenler

Süperiletkenlik hem sıfır direnç gösteren mükemmel iletkenlik hem de manyetik alanın ortadan kalkması anlamına gelir. Bu süperiletkenlik durumu sıcaklıktaki artış veya dışarıdan uygulanan manyetik alan ile ortadan kalkabilir.

Tip 1 olarak sınıflandırılan süperiletken maddeler yalnızca zayıf sayılabilecek manyetik alanlar karşısında süperiletkenliğini koruyabilir.

Tip 2 olarak sınıflandırılan maddeler ise manyetik alanın yüzeyine nüfusunu belirli bir seviyede tolere edebilir ve böylelikle daha yüksek manyetik alan etkisine karşı süperiletken durumunu koruyabilir. Tip 2 türündeki süperiletkenler, yüksek manyetik alanlarda süperiletkenlik özelliklerini koruduğundan, parçacık hızlandırıcılarda yer alan mıknatıslarda kullanılır.

Kritik Sıcaklığına Göre Süperiletkenler

Bir maddenin süperiletken hale geçtiği sıcaklığa kritik sıcaklık adı verilir. Sınıflandırma için 80 K (-193 C) ve üzeri sıcaklıklarda süperiletken hale gelen maddeler yüksek sıcaklık süperiletkenleri olarak adlandırılır. Daha düşük değerlere ihtiyaç duyulursa düşük sıcaklık süperiletkenleri olarak sınıflandırılır.

Bir başka sınıflandırma kriteri olarak da maddenin süperiletken hale gelmesi için sıvı azotla soğutulması yeterliyse bu maddeler yüksek ısılı, eğer daha düşük sıcaklıklara ihtiyaç varsa düşük ısılı süperiletkenler olarak adlandırılır. Burada ölçü değeri olarak alınan azot ya da bilinen bir diğer adıyla nitrojenin kaynama noktası -195,8 Santigrat derece yani 77 Kelvin’dir. Sıvı halindeki azot bu sıcaklığın altındadır ve çok iyi bir soğutucu görevi görür.

Malzemesine Göre Süperiletkenler

Süperiletkenler yapılarına göre kimyasal elementler, alaşımlar, seramikler, demir bazlı süperiletkenler ve organik iletkenler olarak sınıflandırılır.

Cıva ve kurşun gibi kimyasal elementler, niyobyum-titanyum, germanyum-niyobyum gibi alaşımlar, magnezyum diborit ve YBCO gibi seramikler, flor katkılı LaOFeAs gibi demir bazlı süperiletkenler ve  fullerenler ve karbon nanotüpler gibi organik süperiletkenler örnek olarak verilebilir.

İşleyiş Teorisine Göre Süperiletkenler

John Bardeen, Leon N. Cooper ve Robert Schrieffer tarafından geliştirilen ve adını bu bilim insanlarının soyadlarından alan BCS teorisi, süperiletkenlerin mikroskobik davranışlarını ortaya koyar.

1957 yılında hazırlanan ve 1972’de Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülen BCS teorisine göre yeteri kadar soğutulmuş bir madde içerisinde hareket eden elektronlar Cooper çiftleri oluşturarak hareket eder. Böylelikle süperiletken maddeye bir elektrik voltajı uygulandığında herhangi bir dirençle karşılaşmadan elektrik akımının iletimi gerçekleşir.

Uygulanan gerilim sonlandırıldığında ise bu elektronlar hareketlerine devam eder. Madde ısındıkça oluşan durum ortadan kalkar ve elektronlar bireysel hale gelir. Ancak bazı süperiletkenler BCS teorisine uyarken bazıları ise uymamaktadır. BCS teorisine uyanlar bilinen süperiletkenler sınıfına girerken uymayanlar ise bilinmeyen veya alışık olunmayan süperiletkenler olarak sınıflandırılır.

BCS teorisi her ne kadar düşük sıcaklık süperiletkenlerini açıklamada yeterli olsa sonraki yıllarda keşfedilen düşük sıcaklık süperiletkenlerini açıklamada yetersiz kalmıştır.

Süperiletkenlik Nasıl Oluşur?

Süperiletkenliğin nasıl oluştuğundan bahsetmeden önce her maddenin süperiletken özellik göstermediğini belirtmekte fayda var. Maddelerin düşük sıcaklıklarda elektrik dirençleri oldukça azalır ancak tam olarak sıfır olmaz. Ancak süperiletken maddelerde karakteristik özellikleri olan kritik sıcak eşiğinin altına inildiğinde madde elektriğe karşı direnç göstermeyen hale gelir. Süperiletken hale gelen maddeler aynı zamanda manyetik alanların içinden geçmesine engel olur.

Süperiletken maddeler kritik sıcaklıklarının üzerine çıkıldığında veya dışarıdan yüksek bir manyetik alan uygulandığında süperiletkenlik özelliklerini kaybederler. Bu yüzden bu etkenler kontrol altında tutulmalıdır.

Süperiletkenliğin Kullanım Alanları 

Süperiletkenlerin kullanım alanları, daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken hale geçen yeni maddelerin keşfedilmesi ile artmaktadır. En bilinen kullanım alanları ise maglev trenleri, MRI cihazları, Büyük Hadron Çarpıştırıcı, maglev rüzgar türbinleri ve manyetik depolama sistemleridir.

• Maglev Trenleri

Maglev trenlerinde veya bir başka isimle manyetik levitasyon trenlerinde, iki mıknatısın birbirini itme özelliğinden faydalanılarak tren raylardan yukarı kaldırılır. Trenin ile rayların temasının kesilmesi, sürtünme kuvvetinin ortadan kalkmasını ve trenin bir uçak kadar hızlanabilir hale gelmesini sağlar. 

Trenin altında ve raylarda bulunan oldukça kuvvetli elektromıknatıslar birbirini iterek trenin belirli bir mesafede raylarda yukarı kaldırılmasını sağlar. Bu son derece güçlü elektromıknatısların oluşturulmasında süperiletkenler kullanılarak üretilen süperiletken mıknatıslardan faydalanılır.

Almanya ve Japonya’nın oldukça gelişme katettiği maglev trenlerinin kullanılabilir ilk ticari örneği 2003 yılında Çin’de Şanghay kenti ile Pudong havalimanı arasında hizmete alınmıştır. Maglev trenleri için özel hatlar döşenmesi ise yaygınlaşmasının önündeki en büyük engellerdendir. Maglev trenleri ve yüksek hızlı trenlerin birbirinden farklı teknolojiler üzerine geliştirildiğini de belirtmekte fayda var.

• MRI Cihazları

Manyetik rezonans görüntüleme cihazları süperiletkenlerin kullanıldığı ve en yaygın olarak kullanılan cihazlar arasında yer bulunur. MR cihazlarında radyasyon yerine dünyanın 0.5 gauss gücündeki manyetik alanı yerine yaklaşık olarak 25 bin katı şiddetinde manyetik alan kullanılır. Bu son derece güçlü manyetik alanın yardımıyla vücutta bulunan hidrojen atomlarının çekirdeğinde yer alan protonlar uyarılır ve alıcılar yardımıyla dijital olarak görüntüler oluşturulur.

MRI cihazının temel çalışma prensibini oluşturan yüksek manyetik alanların oluşturulmasında süperiletken mıknatıslar kullanılır.

• Büyük Hadron Çarpıştırıcı

Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) tarafından inşa edilen Büyük Hadron Çarpıştırıcı (Large Hadron Collider, LHC), dünyanın en güçlü ve en büyük parçacık çarpıştırıcısıdır. Dünya’nın en büyük makinesi kabul edilen Büyük Hadron Çarpıştırıcısı 27 km uzunluğunda süperiletken mıknatıslar ile donatılmış tünelden oluşur.

• Maglev Rüzgar Türbinleri

Rüzgar türbinleri verimli bir şekilde enerji üretebilmek için şiddetli rüzgara ihtiyaç duyar. Dikey türbinlere sahip Maglev Rüzgar Türbinleri ise maglev etkisiyle türbinlerin sürtünmeden kurtulması ve düşük hızlı rüzgar yardımıyla yüksek hızlarda dönmesi üzerine geliştirilen bir teknolojidir. 

Rüzgar türbinlerinde süperiletkenlerin kullanımı henüz yaygınlaşmamış ancak kullanımı pek çok fayda sağlayacak bir kullanım alanıdır. Ayrıca rüzgar türbinlerinde süperiletken jeneratörlerin de kullanımı daha hafif olmaları ve daha az hacim kaplamaları açısından inşaat ve üretim maliyetlerini oldukça azaltır.

• Manyetik Güç Depolama

Süperiletken Manyetik Enerji Depolama (SMES) teknolojisi süperiletkenlerin kullanılmasıyla geliştirilen ve enerjinin büyük miktarlarda, uzun ömürlü olacak şekilde depolanmasına imkan veren sistemlerdir.

SMES’lerin yaygın olarak kullanımı için süperiletken malzemelerin üretiminin pahalı olması ve sürekli düşük sıcaklıklar elde edilmesi için sıvı azot veya sıvı helyuma ihtiyaç duyulması çözülmesi gereken sorunların başında gelir.

Süperiletkenlikte Karşılaşılan Zorluklar

Süperiletkenlikte karşılaşılan en büyük zorluk düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyulmasıdır. Maddelerin süperiletkenlik özelliklerinin ortaya çıkması için mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara ihtiyaç vardır.

Yüksek ısılı süperiletken olarak sınıflandırılan materyallerin bile ihtiyaç duyulan kritik sıcaklık değeri 2003 yılında Alman bilim insanların gerçekleştirdiği çalışmalarla ancak 203 Kelvin yani -70,13 Santigrat derece seviyesine çıkmıştır. Üstelik bu durumun gerçekleşmesi için yüksek basınca ihtiyaç duyulur. 

Bilim insanlarının süperiletkenlik alanındaki en büyük hedefi ise oda sıcaklığında veya daha ulaşılabilir sıcaklıklarda ve normal basınç altında süperiletken materyaller oluşturarak bu zorlukları aşmaktır.

Süperiletkenliğin Keşfi ve Tarihi

Maddelerin elektrik direncinin düşük sıcaklıklarda düştüğüne dair ilk çalışmalar James Dewar tarafından gerçekleştirilmiştir. 

Takvimler 1880’lerin sonunu gösterdiği esnada Karol Olszewski ve Zygmunt Florenty Wroblewsk oksijen, nitrojen ve karbonmonoksiti sıvılaştırma çalışmaları sırasında ulaşıkları -100C’ın altındaki sıcaklıklara ulaştıkları deneylerinde düşük sıcaklıkların bakırın direncini azaltığını tespit ederek düşük sıcaklıklarda elektrik direncinin azalması fenomenine dikkat çekmişlerdir.

James Dewar ve John Ambose Fleming yürüttükleri çalışmalarda saf metallerin mutlak sıfırda mükemmel iletkenler olduklarını öngörmüştür. Ancak Dewar bu öngörüsüne daha sonraki süreçte direncin tam olarak ortadan kalkmadığı yönünde ekleme yapmıştır.

Başka bir çalışmada ise termodinamiğin üçüncü yasasını geliştiren Walther Hermann Nernst da mutlak sıfırın erişilemez olduğunu savunmuştur. Bilim insanları tarafından ortaya atılan bu görüşler elektrik direncinin sıfırlanabileceği şartların oluşturulması ihtimalini ortadan kaldırıyordu.

Aynı dönemde gerçekleştirilen başka bir çalışmada ise Carl von Linde ve William Hampson, gazların sıvılaştırılması için başarılı bir yöntem geliştirmişlerdir. Bu çalışmaları, Onnes’in 1911’de gerçekleştirdiği süperiletken keşfi için gereken düşük sıcaklıkları elde etmesine yardımcı olmuştur.

1908 yılına gelindiğinde Hollandalı fizikçi Heike Kamerlingh Onnes, Hollanda Üniversitesi’nde gerçekleştirdiği çalışmalar sonucu Linde makinesini kullanarak sıvılaştırılmış helyum elde etmeyi başarmıştır.

Sıvı helyumun atmosferik basınçta kaynama noktası 4,2 K (-269 C)’dir. Bu sıcaklıklarda bir sıvı elde edilmesi sonraki çalışmalarını desteklemiştir.

Onnes’un sıvı helyum elde etmesi, düşük sıcaklıklarda direncin azalması üzerine gerçekleştirdiği çalışmalarda kriyojenik sıcaklıklara ulaşmasını mümkün hale getirmiştir.

Düşük sıcaklıklarda azalan direnç üzerine çalışmalarında ilk olarak altın ve platinyum ile başlayan Onnes, cıva kullanmaya karar vermiştir. Onnes yürüttüğü çalışmalar neticesinde 4.19K sıcaklıkta civanın elektrik direncinin ortadan kalktığını ortaya koymuştur. Suprailetkenlik adını verdiği olguyu sonrasında süperiletkenlik olarak kullanmaya başlamıştır. Bu çalışması 1913 yılında Heike Onnes’a Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırmıştır.

Süperiletkenler üzerine çalışmalarını sürdüren Onnes, süperiletken bir halkaya verdiği akımın, güç kaynağına ihtiyaç duymadan zamanla azalmayacak bir şekilde varlığını sürdürdüğünü keşfetmiştir. Bilim dünyasında yeni bir çağ başlatan Onnes’un çalışmalarının ardından bilim dünyası süperiletkenler üzerinde çalışmalarını yoğunlaştırmıştır. Sonraki yıllarda kurşunun 17K’de, niyobyumun 16K’de süperiletken hale geldiği keşfedilmiştir. 

Süperiletkenler üzerine bir sonraki önemli adım ise Walther Meissner ve Robert Ochsenfeld’in 1933’te süperiletkenlerin üzerlerine uygulanan manyetik alanları dışarı ittiğini keşfetmesi olmuştur. Meissner Etkisi olarak adlandırılan bu durumda süperiletken halindeki maddeler elektrik direnci göstermezken aynı zamanda da içlerinden manyetik alanın geçmesine de izin vermedikleri ortaya çıkmıştır.

Sonraki yıllarda bilim insanları süperiletkenliğe neyin sonucu olarak oluştuğunu belirlemek için süperiletkenliğin mikroskobik teorisi üzerine çalışmalarını yürütmüştür. 1957 yılında John Bardeen, Leon N. Cooper ve Robert Schrieffer adını soyadlarının ilk harflerinden alan BSC Teorisi ile süperiletkenliğin mikroskobik teorisini eksiksiz bir biçimde ortaya koymuşlardır.

Günlük hayatın bir parçası olarak süperiletkenlerden faydalanma çalışmaları da yine Onnes tarafından başlatılmıştır. Süperiletken sargılara sahip elektromıknatıslar yapmaya çalışan Onnes bu çalışmalarında tam olarak başarı elde edememiştir. George Yntema 1955’te niyobyum tel sargılar kullanarak başarılı elektromıknatıslar oluşturmayı başarmıştır. 60’lı yıllarda ise Westinghouse Electric Corporation ve Wah Chang Corporation şirketleri niyobyum-titanyum süpermıknatıslarını ticari olarak üretmeye başlamıştır. 

Bu alanda yapılan çalışmalar ile farklı bilim insanlarına tam 6 kez (1913, 1972, 1973, 1987, 2003, 2016) Nobel Fizik Ödülü’nü kazandıran süperiletkenlik ve süpermıknatıslar üzerine çalışmalar halen yoğun bir ilgi ile devam etmektedir.

Gelecekte Bizi Neler Bekliyor? 

Süperiletkenlik üzerine çalışan bilim insanlarının en büyük hedefi oda sıcaklığında süperiletken özellik gösteren maddeler elde etmektir. Eğer oda sıcaklığı veya daha kolay sağlanabilir sıcaklıklarda süperiletken olarak davranan maddeler elde edilebilirse, bu keşif insanlığın geleceğini tamamen değiştirecektir. 

Enerjideki kayıp miktarının ortadan kalkması başta yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerji başta olmak üzere üretilen enerjinin tam verim ile kullanılmasını ve enerji verimliliğinin artırılmasını sağlayacaktır. Bunun yanı sıra daha hızlı çalışan elektronik cihazlar üretilebilir, MRI cihazları ve hızlı tren gibi halihazırda süperiletkenlerin kullanıldığı cihazların daha uygun maliyetler ile üretilip yaygınlaşması sağlanabilir.

Oda sıcaklığındaki süperiletkenler üzerine yapılan araştırmalar arasından yakın zamanda Koreli bir grup bilim insanı heyecan verici bulgularını dünya ile paylaştı. 

Kore Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden Dr. Sukbae Lee ve Dr. Ji-Hoon Kim, oluşturdukları LK-99 adlı materyalin 400 Kelvin yani 127 C derecenin altında süperiletken özellik gösterdiğini iddia etmektedir.

Kimyasal bileşimi kurşun (Pb), bakır (Cu), fosfor (P) ve oksijen (O) içeren LK-99, her ne kadar bilim çevrelerini heyecanlandırmış olsa da doğruluğu henüz kabul görmediğinden ve gerçekleştirilen bağımsız çalışmalarda çelişkili sonuçlar elde edilmesinden dolayı sevinmek için henüz erken.

Süperiletkenleri enerji verimliliği sağlamak ve güçlü mıknatıslar üretmek için yaygın olarak kullanımının önündeki en büyük engel düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyulmasıdır. Bu engel aşıldığında ise insanlık enerji, ulaşım, iletişim başta olmak üzere birçok alanda büyük gelişim gösterecektir.

Sizce süperiletkenlerin yaygın olarak kullanılmasından ne gibi alanlarda fayda sağlanabilir? Süperiletkenler ve modern fizik hakkındaki görüşlerinizi yorumlarda paylaşmayı unutmayın.