Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) had iets met lage temperaturen. Als hoogleraar experimentele fysica aan de Leidse universiteit ontwikkelde hij een methode om lichte gassen vloeibaar bij zeer lage temperaturen te maken.

Op de plek waar zijn natuurkundig laboratorium stond, ging het er in 1807 heet aan toe toen een schip geladen met 37 ton buskruit ontplofte. Kamerlingh Onnes bouwde er echter de koudste plek ter wereld, een installatie om vloeibare lucht (stikstof) en waterstof te produceren. Hiermee kon hij talloze experimenten uitvoeren en onderzoek doen naar het vloeibaar maken van het laatste nog niet ‘bedwongen’ gas: helium.

In 1908 lukte hem dat als eerste door helium tot 0,9 graad boven het absolute nulpunt –tot -272 graden Celsius– af te koelen. Een geweldige prestatie waarvoor hij in 1913 met een Nobelprijs ontving.

In het voormalige Kamerlingh Onneslaboratorium herinneren drie forse plaquettes tegenover een koffieautomaat aan de plaats die jarenlang het koudste plekje op aarde bleef en waar hij nog een bijzondere ontdekking deed: supergeleiding.

Met veel moeite hadden de Leidse prof en zijn medewerkers een geleidend strookje van gestold kwik gemaakt. Dat koelden zij met vloeibaar helium nog verder af. Toen de temperatuur gedaald was tot 4,2 graden boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius) viel de elektrische weerstand van het kwik plotseling helemaal weg. In zijn logboek noteerde Kamerling Onnes op 8 april 1911 de historische woorden: „Kwik nagenoeg nul.”

Zonder het aanvankelijk te beseffen had hij het fenomeen supergeleiding ontdekt. Hij kon nog niet weten welke grote gevolgen deze ontdekking voor de verdere ontwikkeling van het wetenschappelijk onderzoek zou hebben. En welke praktische toepassingen met supergeleiding werkelijkheid zouden worden.

Het zou echter nog jaren duren voordat de eerste technische toepassingen van de grond kwamen. Zo stelde het Amerikaanse energiebedrijf Detroit Edison tien jaar geleden de eerste supergeleidende hoogspanningskabels in werking. De energieverliezen tijdens het transport blijken aanzienlijk lager.

Ook in Kopenhagen levert een supergeleidende kabel inmiddels energie aan 150.000 huishoudens en in Amsterdam werkt een aantal bedrijven, waaronder Liandon, met de TU Delft samen aan een proef voor een ondergrondse hoogspanningskabel van 6 kilometer.

„Met de dunne ondergrondse kabel, die ook met vloeibare stikstof wordt gekoeld, kan zeker 50 procent energiebesparing worden bereikt”, verwacht Alex Geschiere van Liandon.

Professor Marcel ter Braake, die zich aan de Universiteit Twente bezighoudt met toepassingen van supergeleiding, beaamt dat. „De supergeleidende draad kan honderd keer dunner zijn dan een vergelijkbare koperen uitvoering. Kortsluiting behoort daarmee tot het verleden en het optredende energieverlies is stukken lager. De keerzijde is de noodzakelijke koeling met vloeibare stikstof. Dat vraagt om forse koelsystemen.”

Op een symposium over supergeleiding vorige week vrijdag aan de Universiteit Twente stelt hij dat het nu mogelijk is om zo’n 10 kilometer supergeleidingskabel te koelen met twee aan weerszijden geïnstalleerde koelsystemen. „Maar die grens kunnen we nog veel verder oprekken.”

Het bedrijf American Superconductor Corporation denkt al in 2012 een supergeleidende kabel aan Zuid-Korea te kunnen leveren met een lengte van 3000 kilometer Amperiumdraad. Deze supergeleidende draad, 4,4 millimeter in doorsnede, geleidt ruim honderd keer zo veel stroom als een koperdraad met dezelfde diameter.

Tentoonstelling

In het Leidse museum Boerhaave loopt honderd jaar na de eerste waarneming tot 8 januari 2012 de expositie ”Kwik nagenoeg nul. De ontdekking van supergeleiding”.

www.museumboerhaave.nl

Breed spectrum

Supergeleiding wordt breed toegepast. Een aantal voorbeelden.

Wetenschap: Supergeleidende magneten voor de Large Hadron Collider, de deeltjesversnellers van het CERN; voor ITER, het samenwerkingsproject voor kernfusie; en supergeleidende detectors voor het meten van zwakke magneetvelden voor fundamenteel onderzoek.

Gezondheidszorg: MRI-scanners met supergeleidende magneten. De extreem hoge veldsterkten, 1,5 tot 3 tesla (1 tesla is 20.000 keer de sterkte van het magneetveld van de aarde), maken zeer gedetailleerde inwendige afbeeldingen mogelijk.

Energieopwekking: Aanzienlijk kleinere en lichtere elektromotoren: elektrische windmolens met supergeleidende magneten, maken een hoger rendement en grotere bedrijfszekerheid mogelijk. Supergeleidende kabels en kleinere transformators leveren minder energieverlies op en zijn bestand tegen overbelasting. Ook wordt magnetische opslag van energie mogelijk.

Communicatie: Zendmasten voor mobiele telefonie met supergeleidende onderdelen vergroten de ontvangstgevoeligheid, wat meer beschikbare kanalen of een grote bereik oplevert.

Onder de loep

Het is voor wetenschappers jarenlang een raadsel gebleven hoe supergeleiding kon optreden. Het duurde tot in de jaren vijftig van de vorige eeuw voordat kwantumfysici hiervoor acceptabele theorieën ontwikkelden.

Hoe gaat supergeleiding in zijn werk? „In metalen vindt stroomtransport plaats door elektronen, die zich min of meer moeizaam een weg banen door het metaalrooster. Dat gaat gepaard met energieverlies, waardoor met materiaal opwarmt”, legt theoretisch fysicus Aron Beekman uit.

„In een supergeleider verbinden de elektronen zich echter tot zogenaamde Cooperparen, die de bijzondere eigenschap hebben dat ze zich als één geheel gedragen. Daardoor zijn botsingen met het metaalrooster verleden tijd. Een puur kwantummechanisch effect, zonder directe evenknie in onze belevingswereld. Het heeft veel weg van laserlicht, waarin lichtgolven zich als één collectief gedragen.”

Ook bij hogere temperatuur

Lang dachten natuurkundigen dat de temperatuur waarbij supergeleiding optreedt nooit hoger zou kunnen worden dan enkele tientallen graden boven het absolute nulpunt.

Onderzoekers van IBM in Zürich ontdekten in 1986 echter een nieuwe klasse keramische koperoxiden. Dat materiaal vertoonde al een merkwaardig weerstandsverlies bij de ‘hoge’ temperatuur van 77 Kelvin. Die temperatuur is gelijk aan -196 graden Celsius, het kookpunt van vloeibaar stikstof – een goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar koelmiddel.

Door deze ontdekking –overigens bekroond met een Nobelprijs– kwamen ook praktische toepassingen in zicht. Het leek een kwestie van jaren voordat de eerste supergeleiders bij kamertemperatuur zich zouden aandienen. Ideeën voor toepassingen lagen al gereed: verliesvrije hoogspanningskabels, supercompacte elektromotoren en supergeleidende magneten die zweeftreinen moeiteloos zouden optillen.

Die hooggespannen verwachtingen werden niet bewaarheid. De overgangstemperatuur bleef steken rond de -150 graden Celsius, hoewel recent die grens onder hoge druk werd opgerekt tot 163 Kelvin (-110 graden Celsius).

Supergeleidende structuren tekenen met röntgenstralen

Wetenschappers zijn erin geslaagd om met bundels röntgenstralen supergeleidende structuren te etsen in materiaal dat bestaat uit de elementen lanthaan, zuurstof en koper. Onderzoekers van het Londense Centrum voor Nanotechnologie en van de Sapienza-universiteit te Rome publiceerden hierover vorige maand in het tijdschrift Nature Materials.

Supergeleiding heeft plaats bij een temperatuur van ongeveer -200 graden Celsius, waarbij elektrische geleiding geen weerstand ondervindt. Daardoor blijft warmteontwikkeling uit en gaat er evenmin energie verloren.

Door de belichting met röntgenstralen konden de wetenschappers de positie van de zuurstofatomen in het koperoxide herschikken. Bij voldoende lage temperatuur is daarin supergeleiding mogelijk.

Gabriel Aeppli, directeur van het Londense Centrum voor Nanotechnologie, verwacht dat deze ontdekking ongekende mogelijkheden opent voor een nieuwe generatie elektronische schakelingen.

Zijn Italiaanse collega Bianconi vindt het „verbazingwekkend hoe we nu met eenvoudige processtappen, zonder de gebruikelijke chemische etstechnieken, supergeleidende intelligentie kunnen meegeven aan een materiaal dat uit een vorm van koperoxide bestaat; en weer uit te wissen met warmte.”

Vroegtijdige dementie op het spoor met MRI-scanner

Een nieuw type MRI-scanner kan helpen bij het vroegtijdig opsporen van beginnende dementie. De zogeheten 7T-MRI-scanner brengt microbloedingen in de hersenen beter in beeld dan gangbare scanners.

Dat schrijft Mandy Conijn in haar proefschrift waarop zij onlangs promoveerde aan de Universiteit Utrecht. Ze onderzocht hersenen van patiënten met aderverkalking. Conijn vergeleek de resultaten van de nieuwe scanner –met een supergeleidende magneet met een extreem hoge veldsterkte– met die van een gangbare ziekenhuisscanner. Het nieuwe type levert vijfmaal zo veel details op als het oude.

De aanwezigheid van microbloedingen kan wijzen op slecht functionerende bloedvaten, bekend als ”small vessel disease”. Deze ziekte is waarschijnlijk een van de oorzaken van cognitieve achteruitgang en dementie. Dat geldt vooral voor patiënten met aderverkalking.

„De nieuwe scanner kan geschikt zijn om deze ”small vessel disease” in een vroeg stadium op te sporen”, aldus de promovenda. „Aangezien dit de eerste resultaten zijn op basis van de 7T-scanner hebben we meer onderzoek nodig om dit te bevestigen.” Zij denkt niet dat de krachtige scanner op korte termijn ingezet zal worden voor standaardcontroles van bloedvaatjes in de hersenen.