Framtiden: Kraften blir supraledande

Nästa elektromagnetiska revolution har redan börjat. Snart kommer elbilar att laddas på vägbanan och el överföras trådlöst till dina taklampor, medan nya högtemperatursupraledare kan ge planeten oändliga mängder energi.

Nästa elektromagnetiska revolution har redan börjat. Snart kommer elbilar att laddas på vägbanan och el överföras trådlöst till dina taklampor, medan nya högtemperatursupraledare kan ge planeten oändliga mängder energi.

Hyperloop TT

Lika varm som solens kärna. Det målet uppnådde fysikerna på Tokamak Energy i juni 2018, då de fick upp temperaturen i tokamaken till 15 miljoner grader.

Genom att fusionera väte till helium efterliknar reaktorn processerna i solen. Men de brittiska fysikerna nöjer sig inte med att efterlikna solen.

De vill överträffa den. Enligt planen ska reaktorns temperatur under året nå upp till 100 miljoner grader, vilket verkligen kommer att sätta fart på fusionsprocesserna och på sikt skapa en outtömlig energikälla.

En förutsättning för att komma upp i så höga temperaturer är den elektromagnetiska principen supraledning – ström utan motstånd.

Hittills har supraledning bara använts i begränsad omfattning, i bland annat MR-skannrar, men med nya material som kan kylas med billigt flytande kväve är potentialen oändlig.

Hyperloop glider utan motstånd

Tokamaken befinner sig fortfarande på försöksstadiet och kan troligen inte tas i drift förrän tidigast år 2030, men andra delar av ”andra elektromagnetiska revolutionen” har redan börjat.

Med en hastighet av 430 kilometer i timmen transporterar världens snabbaste tåg dagligen tusentals passagerare mellan Shanghais internationella flygplats och stadens centrum.

Video: Magnettåg accelererar till 431 km/h

Eftersom vagnarna svävar på magneter förekommer ingen friktion mellan hjulen och rälsen, medan växlande magnetfält driver tåget blixtsnabbt framåt.

Dessa så kallade magnetsvävare finns även i Japan och Sydkorea, men de har svårt att konkurrera med flyg och traditionella hög-hastighetståg på räls, till exempel franska TGV.

Den situationen kan förändras om det nya konceptet Hyperloop slår igenom.

Detta tåg kör i ett lufttomt rör så att det inte hindras av luftmotstånd.

Eftersom tåget samtidigt svävar på magneter kan Hyperloop komma upp i svindlande 1 200 kilometer i timmen.

Det innebär att passagerare skulle kunna resa mellan Stockholm och Helsingfors på 28 minuter.

På medellånga distanser kan Hyperloop bli snabbare än flyget eftersom man slipper den normala restiden till och från flygplatserna och städernas centrum.

Tekniken testas nu på en 500 meter lång bana i Nevada, och i Indien har en kommersiell linje mellan städerna Pune och Mumbai lagts ut på entreprenad.

Ditt hem blir fritt från kablar

Nya elektromagnetiska tekniker kommer snart att ha letat sig in i ditt hem. Elektriska tandborstar laddas i dag trådlöst med hjälp av magnetfält, elbilar likaså.

Redan i början av 1900-talet drömde den serbiske fysikern Nikola Tesla om att förse bostäder och fabriker med trådlös el.

År 1902 byggde Tesla ett torn utanför New York som skulle avge mikrovågor som mottagare i hemmen kunde omvandla till el.

Teslas torn var färdigt 1904 och var 57 meter högt. Tornet, som byggdes i Shoreham, New York, användes dock aldrig och revs sedan år 1916.

© Wikimedia

Men projektet stoppades för att Teslas finansiärer insåg att de inte kunde försäkra sig om att kunderna skulle betala för elen.

Eftersom energiförlusten skulle bli för stor lär trådlös överföring av el över långa avstånd aldrig ersätta högspänningsledningar.

Men i hemmen kan våra elektriska apparater – lampor, datorer, tv-apparater och mobiltelefoner – få trådlös el så att mobilens batteri alltid är laddat när man går ut.

Principen bakom trådlös el är att en sändare omsätter växelström till ett svängande magnetfält som tas emot av en mottagare och omvandlas till el.

10,5 tesla är fältstyrkan i ­världens för närvarande kraftfullaste MR-skanner.

Magnetfältets styrka minskar dock med avståndet, och tills för tio år sedan utgjorde bara några centimeter ett oöverstigligt problem.

Amerikanska forskare vid Massachusetts Institute of Technology upptäckte emellertid att energi­förlusten minimeras när sändaren och mottagaren svänger i samma frekvens, så att resonans uppstår.

Genom att utnyttja resonansen lyckades man sända 60 watt två meter, medan en tv fungerade en halv meter från sändaren med endast 30 procents energi­förlust.

Nu är det äntligen slut med sladdnystan. Om några år kan lampor, tv-apparater och mobiltelefoner laddas med hjälp av trådlös el i hemmet. Dessutom kan elbilens batteri laddas trådlöst medan den står parkerad i garaget.

© Mikkel Juul Jensen

Transformator ökar ­strömmens energimängd

Vanlig växelström från elnätet leds in i en transformator, som ökar strömmens frekvens. På så sätt ger ­elektriciteten så mycket energi som ­möjligt.

© Mikkel Juul Jensen

Elen omvandlas till svängande magnetfält

Elen fortsätter in i en sändare som ­omvandlar strömmen från stickkontakten till ett svängande magnetfält, där polerna ­ständigt byter plats. Magnetfältet sprider sig
genom vardagsrummet.

© Mikkel Juul Jensen

Magnetfältet omvandlas till el och tänder lampan

Elektriska apparater har en mottagare som omvandlar energin i det svängande magnetfältet till el. Sändaren och mottagaren svänger med samma frekvens, och denna så kallade resonans minskar energiförlusten.

© Mikkel Juul Jensen

Oslos taxibilar ska ­laddas på hållplatserna

Omkring år 2023 ska Oslo ­installera trådlösa laddare vid alla taxihållplatser, så att taxibilarna kan laddas trådlöst medan ­chaufförerna väntar på kunder. På längre sikt ska elbilar kunna laddas från vägbanan samtidigt som de körs.

Forskarna startade företaget Witricity för att kommersialisera tekniken, men på senare år har de inriktat sig mer på trådlös laddning av parkerade elbilar.

Då drar tekniken fördel av det korta avståndet mellan sändaren på marken och mottagaren under bilen.

I fjol visade försök på parkerings­platser i Berlin i Tyskland att 90 procent av den trådlösa elen hamnar i batteriet.

Som jämförelse överförs 95 procent av energin när bilen laddas via en kabel.

Trådlös laddning av elbilar kommer först att införas på parkerings­platser, men försök med eldrivna bussar i Tel Aviv, Israel, har visat att batterierna även kan laddas under körning, via magnetspolar i vägbanan.

På sikt kommer elbilar alltså att kunna laddas medan de kör på motorvägen.

Supraledning kräver superkylning

2000-talets största elektromagnetiska revolution lär dock bli supraledning, ström utan motstånd, som upptäcktes år 1911 av den nederländske fysikern Heike Kamerlingh Onnes.

I ett supraledande material fortsätter strömmen att cirkulera i en spole när den väl har letts dit.

Alla supraledande material har en kritisk temperatur under vilken de är supraledande och strömmen rör sig utan motstånd.

Video: Se en nedkyl supraledare sväva på ett Möbiusband

När den kritiska temperaturen överskrids upphör supraledningen med en gång och ersätts av motstånd som i en kopparkabel.

De klassiska metalliska supraledarna måste kylas till minus 269 grader med dyrt flytande helium.

Därför har de i dag enbart ett enda användningsområde: De 25 000 MR-skannrar som används vid diagnostik på världens sjukhus.

Blod innehåller stora mängder väte, som ger utslag i en MR-skanner. Bilden visar blodgenomströmningen i hjärnan, registrerad av en kraftfull skanner på sju tesla.

© Courtesy of Professor Markus Barth, Centre for Advanced Imaging, The University of Queensland

Magneterna levererar normalt fält på 1,5–3 tesla, vilket motsvarar styrkan i 1 500–3 000 kylskåpsmagneter.

På senare år har flera skannrar på sju tesla tagits i bruk. Ju starkare fältet är, desto bättre upplösning får skannrarna.

Med en styrka på tre tesla är upplösningen en millimeter, medan sju tesla ger en upplösning på 0,5 millimeter och därmed en betydligt mer detaljerad bild av kroppens insida.

Den första MR-skannern med en fältstyrka på 10,5 tesla testas nu vid University of Minnesota i USA.

Där förväntas upplösningen nå ända ner till cirka 0,2 millimeter. Upplösningen kommer att göra det möjligt att se hur den levande hjärnan arbeta.

Skannrarna kan till exempel visa hur de sju lagren i hjärnbarken, som bara är tre millimeter tjocka, utväxlar nervsignaler när hjärnan bearbetar information och fattar beslut.

© F. Durillon/CEA & Shutterstock

MR-skanner ser hjärnan arbeta

År 2022 tas den franska skannern Iseult i bruk. Med en upplösning på under 0,2 millimeter kommer läkarna att kunna se detaljer i den levande hjärnan som normalt bara kan iakttas på tvärsnitt av hjärnor under ett mikroskop. Detaljrikedomen kan visa samspelet mellan små grupper av nervceller och leda till bättre diagnostik av hjärnsjukdomar.

Helium ger supraledning

En kylanläggning levererar flytande helium med en ­temperatur på minus 271 grader. ­Cirka 7 000 ton flytande helium cirkulerar i ett kretslopp runt skannerns enorma magnet och ­upprätthåller den ­supraledande strömmen.

182 kilometer långa kablar

Skannern består av 182 kilometer kablar av niob-titan. Kablarnas lindningar skapar en fem meter lång och 132 ton tung elektromagnet. ­Magneten skapar ett ­magnetfält på 11,7 tesla, 223 000 gånger starkare än jordens magnetfält.

Skanner ser den levande hjärnen

En radiosändare ­förändrar den ­magnetiska riktningen hos väteatomer i
exempelvis hjärnan. När ­signalen bryts söker sig ­väteatomerna tillbaka och ­avger en signal som skannern ­registrerar. Signalen kan påvisa cellernas anatomi, ämnes-
omsättning och nervaktivitet.

Kväve ersätter helium

Snart kommer högtemperatursupraledare av keramiska material som fungerar vid högre temperaturer att ge nya möjligheter.

Dessa supraledare behöver ”bara” kylas till minus 196 grader.

Det kan göras med flytande kväve, som är betydligt enklare att få fram än flytande helium.

Därför kommer MR-skannrarna att bli både mindre och billigare.

Ledningarna som ska utgöra magneternas lindningar har redan producerats industriellt, och nyligen framställde amerikanska forskare världens starkaste magnet med en svindlande fältstyrka på 45,5 tesla av den keramiska supraledaren Rebco.

Tokamak Energys supraledande Rebcomagnet består av tunn tejp omgiven av metaller. Den supraledande tejpen, som lindas runt en magnetspole, utgör dess lindningar.

© Tokamak Energy

Rekordstarka magnetfält kan resultera i stora tekniska genombrott, bland annat med Tokamak Energys reaktor.

För att fysikerna över huvud taget ska kunna nå upp till temperaturer på 100 miljoner grader krävs nämligen att fusionsbränslet hålls inneslutet i en bur av extremt starka magnetfält, som bara kan skapas med kväve­kylda supraledare som Rebco.

För 34 år sedan upptäckte fysikerna de första högtemperatursupraledarna, som kan kylas med billigt flytande kväve. Tekniken ska nu användas i extremt starka supraledande magneter som kan komprimera flera miljoner grader varmt plasma i en fusionsreaktor.

© Tokamak Energy

Kristallgallret dras ihop

Det supraledande materialet består av ett kristallgaller av positivt laddade atomer. De positiva atomerna dras till varandra när en negativt laddad elektron förs in i supraledaren.

© Tokamak Energy

En ny elektron sugs in

De positiva atomernas hopdragning skapar ett överskott av positiv laddning i supraledaren. Det positivt laddade området attraherar en ny elektron i kölvattnet på den första.

© Tokamak Energy

Elektronpar skapar förlustfri våg

Samtliga elektroner i supraledaren bildar den sorts elektronpar som ­surfar mellan de positiva laddningarna i kristallgallret – som en kollektiv våg av ström som inte möter något motstånd alls.

© Tokamak Energy

Magnetisk bur innesluter bränslet

Den klotformiga fusionsreaktorn ST40 innehåller supraledaren Rebco, vars starka magnetfält komprimerar bränslet. Kompressionen innebär att ett kraftverk kan bli 20 gånger mindre och betydligt billigare än exempelvis det experimentella fusionskraftverket Iter. ­Tokamaken har redan värmt fusionsbränsle till 15 miljoner grader, och i år ska temperaturen upp till 100 miljoner grader.

Supraledning vid rumstemperatur

Men fysikerna nöjer sig inte med det. Den stora drömmen är att utveckla supraledare som fungerar vid rumstemperatur, så att vi kan skapa elnät som inte förlorar någon energi alls.

Nyligen har tyska och amerikanska forskare uppnått supraledning vid minus 22 grader i ett material som består av metallen lantan och väte.

Nackdelen med lantan-hydrid, som materialet kallas, är att det bara är supraledande vid tryck på minst en miljon atmosfärer i en diamanttryckcell, så det är inte praktiskt användbart.

Video: Elektromagnetisk kanon slungar iväg projektiler i 9 000 km/h

En möjlighet kan vara att man lyckas framställa fast metalliskt väte.

Enligt teorin bevarar metalliskt väte sin atomstruktur och sina egenskaper vid lägre tryck, precis som diamanter som har skapats under högt tryck och höga temperaturer i jordens inre inte förändras i atmosfäriskt tryck vid ytan.

Visionen, som kan bli verklighet under detta århundrade, skulle göra vår elektromagnetiska värld supraledande.