חוקרים מארצות הברית דיווחו בימים האחרונים על פיתוח חומר קרמי בעל תכונות של על-מוליכות בטמפרטורת החדר, כ-15 מעלות צלזיוס. עם זאת כדי לקיים את התכונה הזו יש להחזיק את החומר בלחץ עצום, של כ-40,000,000 PSI, פי מיליון מהלחץ האטמוספרי בגובה פני הים. פיתוח של מוליך-על בטמפרטורת החדר הוא אחד האתגרים הגדולים ביותר של פיזיקאים וכימאים בעשורים האחרונים, ופיתוח של חומר שימושי בעל תכונות של על-מוליכות יהיה בעל השפעה עצומה על חיי היום-יום שלנו.
זרימה וריחוף
חומרים בטבע נחלקים לפי מידת ההיענות שלהם להעברת זרם חשמלי. במוליכים אפשר להעביר זרם בנוכחות מתח חשמלי. ואולם, חלק ניכר מהאנרגיה החשמלית מתבזבזת בעקבות התנגדות החומר למעבר זרם דרכו.
זרם חשמלי בחומר הוא תנועה של אלקטרונים בכיוון מסוים. האלקטרונים נתקלים בדרך באטומים שבמוליך ומאבדים מהירות ואנרגיה כתוצאה מהתנגשויות אלו. ההתנגשויות גורמות לגלי רטט בחומר שבצורה מקרוסקופית מתורגמים לחום. זו הסיבה שהמחשבים והטלפונים שלנו מתחממים כאשר אנו מטעינים אותם וגורמים לזרם חשמלי בתוכם.
איבוד האנרגיה כתוצאה מהתנגדות גורם לבזבוז רב. כך, חלק גדול מהחשמל שאנו מייצרים מתבזבז לחום, מוריד לטמיון סכומי עתק ומגדיל משמעותית את הזיהום הנלווה.
המפתח לשינוי החל בראשית המאה ה-20. הפיזיקאי ההולנדי האיקה קמרלינג אונס (Kamerlingh Onnes) חקר את המוליכות של כספית בטמפרטורות מאוד נמוכות, תוך שימוש ראשוני בהליום נוזלי. הוא גילה שבטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט, הכספית מציגה מוליכות חשמלית אינסופית. בטמפרטורה נמוכה ב-4 מעלות קלווין, או 269 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, אפשר להעביר זרם חשמלי בכספית בלי לאבד אנרגיה ובלי שהזרם ידעך לאורך זמן רב. הוא קרא לתופעה הזו "על-מוליכות" (superconductivity), וזכה על עבודתו בפרס נובל בפיזיקה ב-1913.
בהמשך התגלו עוד חומרים שיכולים לשמש מוליכי-על בטמפרטורות נמוכות ביותר, ותכונות נוספות שלהם נחשפו. תאורטיקנים רבים ניסו לתת פרשנות לתופעה, כשהמוצלחת ביותר הגיעה ב-1957 וכונתה תיאוריית BCS על שם מפתחיה – ג'ון ברדין (Bardeen) ותלמידיו לאון קופר (Cooper) ורוברט שריפר (Schrieffer). השלושה העלו השערה, לפיה אלקטרונים בגביש נמשכים זה לזה באמצעות יחס גומלין משותף עם גלי תנודה של החומר.
כאן באה לידי ביטוי תופעה קוונטית: המשיכה מייצרת זוגות של אלקטרונים וכדי למסור מהם אנרגיה על ידי התנגשות, נדרשת כמות מסוימת של אנרגיה. בטמפרטורות נמוכות האנרגיה הזאת לא מתקבלת בהתנגשויות ואנחנו מקבלים הרבה זוגות של אלקטרונים שלא מאבדים את מהירותם – כלומר על-מוליכות.
תופעה מרתקת נוספת שהתגלתה במוליכי-על היא התנגדות מושלמת לשדות מגנטיים חיצוניים. שדה מגנטי חיצוני גורם לזרמים בתוך מוליך העל שדוחים את קווי השדה (תופעה זו מכונה "אפקט מייסנר", Meissner effect). כך אפשר לגרום למוליכי-על לרחף על פני מגנטים ללא הפסקה. תופעה זו היא גם מפתח למגוון יישומים שבהם נדרש להפחית חיכוך, ומוליכי-על משמשים כבר כיום ברכבות מהירות המרחפות על פני מסילות בזכות אפקט מייסנר.
עוברים לפסים מעשיים
עד 1986 על-מוליכות הייתה תופעה מדעית שהייתה כמעט בלתי ישימה לשימוש טכנולוגי, בשל הטמפרטורות הנמוכות שהיא התרחשה בהן. טמפרטורות אלה דרשו קירור באמצעות הליום נוזלי, שהפקתו, השגתו ותפעולו יקרים מאוד. ב-1986 גילו חוקרים ממעבדות IBM בשוויץ, אלכס מילר ( Müller) וגיאורג בדנורץ (Bednorz) תכונות של על-מוליכות מעל הגבול התיאורטי שנקבע תיאוריית BCS, ועמד על 35 מעלות קלווין (מינוס 238 מעלות צלזיוס). תגלית זו התניעה מירוץ עולמי בניסיון לפתח מוליכי-על בטמפרטורות יותר ויותר גבוהות, כך שהשימוש בהם יהפוך לכדאי וישים.
מראשית שנות ה-90 החל שימוש בחומרים קרמיים ובתרכובות מתכת-מימן להעלאת הטמפרטורה הנדרשת, ובשנים האחרונות בוצעו ניסויים בלחצים גבוהים מאוד בהן הגיעו לעל-מוליכות ב-20 מעלות צלזיוס מתחת לאפס. בשבוע האחרון דיווחו מדענים אמריקנים מאוניברסיטת רוצ'סטר שהצליחו להנדס חומר מרוכב שהוא מוליך-על, בטמפרטורת החדר, כ-15 מעלות צלזיוס.
החוקרים השתמשו בחומר המבוסס על שלושה יסודות: גפרית, מימן ופחמן. מחקרים קודמים הראו כי גבישים של מימן גפרתי H2S, מייצרים על-מוליכות בטמפרטורה גבוהה יחסית ובלחץ גבוה. במחקר הנוכחי הוסיפו החוקרים את הפחמן, בצורת מֵתאן (CH4) וכדי לקבל את התכונות החשמליות הייחודיות החזיקו את הגבישים הזעירים במעין מלחציים בין שני יהלומים, בלחץ עצום של כ-270 מיליארד פסקל.
אף שהלחץ העצום הדרוש לקבלת העל-מוליכות מקשה על שימוש בחומר ביישומים טכנולוגיים, החוקרים מעריכים כי שיהיה אפשר להחליף את הלחץ המכני בלחץ כימי, באמצעות שינויים בהרכב החומר ובמבנה שלו, ולהגיע לעל-מוליכות בטמפרטורת החדר, גם בלחצים סטנדרטיים. "בסופו של דבר אנו רוצים להביא את הלחץ הדרוש קרוב מאוד ללחץ הסביבתי, כדי שיהיה לזה יישום מעשי", אמר ראש צוות המחקר, רנגה דיאס (Dias) בראיון לניו יורק טיימס. זה כמובן אתגר עצום, והצלחה בו תשנה את משק האנרגיה העולמי. אם הם יצליחו בכך, אולי יום אחד נוכל כולנו לנסוע בכלי רכב מרחפים על פני מסילות ממוליכי-על, נצרוך את החשמל שלנו בכבלים על-מוליכים, נבזבז הרבה פחות אנרגיה ונייצר הרבה פחות חום.
אסף שינפלד, מכון דוידסון לחינוך מדעי
