Lige så varm som Solens kerne – det mål opnåede fysikerne på Tokamak Energy i juni 2018, da de fik temperaturen i kuglereaktoren op på 15 millioner grader.
Reaktoren efterligner processerne i Solen ved at fusionere brint til helium. Men de britiske fysikere er ikke tilfredse med blot at efterligne vores stjerne – de vil overgå den.
Efter planen skal reaktorens temperatur i løbet af 2020 nå op på 100 mio. °C, hvilket for alvor vil sætte gang i fusionsprocesserne og på sigt skabe en uudtømmelig energikilde.
Forudsætningen for at kunne skabe så høje temperaturer skal findes i det elektromagnetiske vidunderprincip superledning – strøm uden modstand.
Hidtil er superledning kun blevet udnyttet i begrænset omfang, fx i MR-skannere, men med nye materialer, der kan afkøles med billigt flydende kvælstof synes potentialet uendeligt.
Hyperloop glider uden modstand
Hvor kuglereaktoren stadig er på forsøgsstadiet og formentlig ikke kommer i drift før 2030, er andre dele af “den anden elektromagnetiske revolution” allerede i gang.
Med en fart på 430 km/t transporter verdens hurtigste tog dagligt tusindvis af passagerer mellem Shanghais internationale lufthavn og centrum.
Video: Magnettog accelererer op på 431 km/t
Da vognene svæver på magneter, er gnidningsmodstanden mellem hjul og skinner fjernet, mens vekslende magnetfelter driver toget lynhurtigt fremad.
Magnetiske levitationstog findes også i Japan og Sydkorea, men generelt har de svært ved at konkurrere med traditionelle højhastighedstog på skinner, fx det franske TGV, og fly.
Den situation kan ændre sig fuldstændig, hvis det nye koncept Hyperloop slår igennem.
Her farer toget gennem et lufttomt rør, så det ikke sinkes af luftmodstand. Da toget samtidig svæver på magneter, vil Hyperloop kunne opnå en svimlende hastighed på 1200 km/t.
Passagerer vil fx kunne rejse fra Stockholm til Helsinki på 28 minutter, og på mellemdistancer vil Hyperloop være hurtigere end fly, fordi den normale rejsetid til og fra lufthavn og bymidte sløjfes.
Teknologien testes nu på en 500 meter lang bane i Nevada, og i Indien er en kommerciel linje mellem byerne Pune og Mumbai sendt i licitation.
Dit hus bliver fri for ledninger
Nye elektromagnetiske teknologier finder også snart vej til dit hjem. Din elektriske tandbørste bliver formentlig allerede opladet trådløst ved hjælp af magnetfelter, og snart kommer turen også til elbilen.
Allerede i begyndelsen af det 20. århundrede drømte den serbiske fysiker Nikola Tesla om at forsyne hjem og fabrikker med trådløs strøm. Tesla byggede i 1902 et tårn nær New York, der skulle udsende mikrobølger, som modtagere i hjemmene så kunne omsætte til elektricitet.
Teslas tårn stod færdig i 1904 og målte 57 meter. Tårnet, der blev bygget i Shoreham ved New York, kom dog aldrig i brug og blev revet ned igen i 1916.
Ifølge legenden blev projektet standset, fordi Teslas økonomiske bagmænd indså, at de ikke kunne sikre sig, at modtagerne også betalte for strømmen.
Trådløs transmission af strøm over lange afstande vil næppe nogensinde erstatte højspændingsledninger, fordi energitabet vil være for stort.
Men i hjemmene kan vores elektriske apparater forsynes med trådløs strøm – for eksempel lamper, computere, fjernsyn og mobiltelefoner, så mobilens batteri altid er opladet, når man går ud.
Princippet i trådløs strøm er, at en sender omsætter vekselstrøm til et svingende magnetfelt, som en modtager opfanger og genomsætter til strøm.
10,5 tesla er feltstyrken på verdens p.t. kraftigste MR-skanner.
Magnetfeltets styrke formindskes dog med afstanden, og indtil for ti år siden var selv få centimeter uoverstigeligt.
Men amerikanske forskere fra Massachusetts Institute of Technology opdagede, at energitabet minimeres, når sender og modtager svinger med samme frekvens, så der opstår resonans.
Ved at udnytte resonansen lykkedes det at sende 60 watt over en afstand på to meter, mens et TV blev tændt en halv meter fra senderen med et energitab på kun 30 procent.
Trådløs strøm tænder din lampe
Transformator øger strømmens energimængde
Almindelig vekselstrøm fra elnettet sendes ind i en transformer, som hæver strømmens frekvens. Derved får elektriciteten så høj en energi-mængde som muligt.
Elektricitet omsættes til svingende magnetfelt
Elektriciteten fortsætter ind i en sender, som omsætter strømmen fra stikkontakten til et såkaldt svingende magnetfelt, hvor polerne hele tiden bytter plads. Magnetfeltet udbreder sig gennem stuen.
Magnetfeltet omdannes til strøm og tænder lampen
Elektriske apparater indeholder en modtager, som omsætter energien i det svingende magnetfelt til strøm. Sender og modtagere svinger med samme frekvens, og denne såkaldte resonans mindsker energitabet.
Oslos taxaer skal oplades på holdepladsen
Frem mod 2023 vil Oslo installere trådløse strømforsyninger ved alle taxaholdepladser, så taxaerne bliver trådløst opladet, mens chaufføren venter på kunder. På længere sigt vil elbiler kunne oplades fra vejbanen, mens de kører.
Forskerne oprettede firmaet Witricity for at kommercialisere teknologien, men i de senere år er deres fokus skiftet til trådløs opladning af elbiler under parkering.
Her drager teknologien fordel af den korte afstand mellem senderen på jorden og modtageren under bilen. Sidste år viste forsøg på parkeringspladser i Berlin, at 90 procent af den trådløse strøm ender i batteriet.
Til sammenligning overføres 95 procent af energien, når bilen oplades via en ledning. Trådløs opladning af elbiler vil i første omgang blive indført på parkeringspladser, men forsøg med eldrevne busser i Tel Aviv har vist, at batterierne også kan oplades fra magnetspoler i vejbanen under kørslen.
På sigt vil elbiler derfor kunne blive ladet op, mens de fx kører på motorvejen.
Superledning kræver superkøling
Den største elektromagnetiske revolution i det 21. århundrede vil dog komme fra superledning, strøm uden modstand, som blev opdaget i 1911 af den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes.
I et superledende materiale bliver strømmen ved med at cirkulere i en spole, når først den er indført. Alle superledende materialer har en såkaldt kritisk temperatur. Under denne er de superledende, hvor strømmen løber evigt uden modstand.
Video: se en nedkølet superleder svæve på et Möbiusbånd
Når den kritiske temperatur overstiges, ophører superledningen øjeblikkeligt, og der opstår modstand ligesom i en kobberledning.
De klassiske metalliske superledere skal nedkøles til minus 269 grader med dyrt flydende helium.
Derfor er kun en enkelt anvendelse nået ud i dagligdagen – de 25.000 MR-skannere, som bruges til diagnostik på verdens hospitaler.
Blod indeholder store mængder brint, som giver signal i en MR-skanner. Billedet viser blodgennemstrømningen i hjernen optaget med en kraftig skanner på syv tesla.
Magneterne leverer typisk felter på 1,5-3 tesla, hvilket svarer til styrken i 1500-3000 køleskabsmagneter. I de senere år er flere skannere på syv tesla taget i brug.
Jo kraftigere feltet er, jo mindre detaljer kan skannerne se.
Med en styrke på tre tesla er opløsningsevnen på en millimeter, mens syv tesla giver en opløsning på 0,5 millimeter og dermed et langt mere detaljeret billede af kroppens indre.
Den første MR-skanner med en feltstyrke på 10,5 tesla afprøves i øjeblikket på University of Minnesota. Her ventes opløsningsevnen at nå ned på omkring 0,2 millimeter.
Opløsningen vil give mulighed for at se den levende hjerne arbejde. Fx vil skannerne kunne afsløre, hvordan de syv lag i hjernebarken, som kun er tre millimeter tyk, udveksler nervesignaler, når hjernen behandler information og træffer beslutninger.
MR-skanner ser hjernen arbejde
I 2022 tages den franske Iseult-skanner i brug. Med en opløsningsevne på under 0,2 mm vil lægerne kunne se detaljer i den levende hjerne, som normalt kun er synligt i tyndsnit af hjerner under et mikroskop. Detaljegraden kan afsløre samspillet mellem små grupper af nerveceller og føre til bedre diagnostik af hjernesygdomme.
Helium sikrer superledning
Et køleanlæg leverer flydende helium med en temperatur på minus 271 grader. Ca. 7000 tons flydende helium cirkulerer i et kredsløb rundt om skannerens gigantiske magnet og opretholder den superledende strøm.
Ledninger er 182 km lange
Skanneren består af 182 km ledninger af niobium-titan. Ledningernes vindinger skaber en fem meter lang elektromagnet, som vejer 132 tons. Magneten skaber et magnetfelt på 11,7 tesla – 223.000 gange så kraftigt som Jordens.
Skanner ser den levende hjerne
En radiosender ændrer den magnetiske retning af brintatomer i fx hjernen. Når signalet afbrydes, søger brintatomerne tilbage og udsender et
signal, som skanneren opfanger. Signalet kan vise cellernes anatomi, stofskifte eller nerveaktivitet.
Kvælstof erstatter helium
Snart vil højtemperatursuperledere af keramiske materialer, som fungerer ved højere temperaturer, give helt nye muligheder.
Superlederne behøver “kun” at nedkøles til minus 196 grader, og det kan gøres med flydende kvælstof, som er langt lettere at skaffe end flydende helium.
MR-skannere vil derfor blive både mindre og billigere. Ledningerne, som skal udgøre magneternes vindinger, er allerede blevet produceret industrielt, og for nylig fremstillede amerikanske forskere verdens stærkeste magnet med en svimlende feltstyrke på 45,5 tesla af den keramiske superleder Rebco.
Tokamak Energys superledende Rebco-magnet består af tyndt tape omgivet af metaller. Den superledende tape vikles omkring en magnetspole og udgør dens vindinger.
Evnen til at skabe rekordstærke magnetfelter kan medføre store teknologiske gennembrud, bl.a. på Tokamak Energys kuglereaktor.
For at fysikerne overhovedet kan opnå og håndtere temperaturer på 100 mio. °C, kræver det nemlig, at fusionsbrændstoffet holdes indesluttet i et bur af ekstremt kraftige magnetfelter, som kun kan opnås med kvælstofkølede superledere som Rebco.
Superledere skal skabe uendelig energi
Krystalgitteret trækkes sammen
Det superledende materiale består af et krystalgitter af positivt ladede atomer. Når en negativt ladet elektron føres ind i superlederen, trækker den de positive atomer ind imod hinanden.
En ny elektron suges ind
Sammentrækningen af de positive atomer skaber et overskud af positiv ladning i superlederen. Det positivt ladede område tiltrækker en ny elektron i kølvandet på den første.
Elektronpar skaber tabsfri bølge
Alle elektroner i superlederen danner sådanne elektronpar, der surfer imellem de positive ladninger i krystalgitteret – som en kollektiv bølge af strøm, der ikke møder modstand.
Magnetisk bur holder brændstof samlet
Den kugleformede fusionsreaktor ST40 indeholder superlederen Rebco, hvis kraftige magnetfelt komprimerer brændstoffet. Sammenpresningen betyder, at et kraftværk kan blive 20 gange mindre og meget billigere end fx det eksperimentelle fusionskraftværk Iter. Kuglereaktoren har allerede opvarmet fusionsbrændstof til 15 mio. °C, og i 2020 skal temperaturen op på 100 mio. °C.
Superledning ved stuetemperatur
Men fysikerne stopper ikke der. Den ultimative drøm er at udvikle superledere, der fungerer ved stuetemperatur, så vi fx kan skabe elnet, der ikke taber energi.
For nylig har tyske og amerikanske forskere opnået superledning ved en temperatur på minus 22 grader i et materiale af metallet lanthan og brint.
Ulempen ved lanthanhydrid er, at materialet kun er superledende ved tryk på mindst 1 mio. atmosfære i en diamanttrykcelle, så den praktiske anvendelse venter ikke lige om hjørnet, men muligheden kan opstå, hvis det lykkes at fremstille fast brintmetal.
Video: Elektromagnetisk kanon slynger projektiler af sted med 9000 km/t
Ifølge teorien bevarer brintmetallet sin atomstruktur og sine egenskaber, når trykket fjernes – akkurat som diamanter, der er skabt under højt tryk og temperatur i Jordens indre, men holder formen i atmosfærisk tryk på overfladen.
Visionen kan blive virkelighed i løbet af århundredet og for alvor gøre vores elektromagnetiske verden superledende.