Kad polete vozovi, jagode i žabe

Majsnerov efekat

Retko koja vest je tako uzdrmala svetsku naučnu javnost kao ona od 22. jula: u preliminarnoj verziji budućeg naučnog rada, grupa južnokorejskih naučnika objavila je da je uspela da proizvede “prvi superprovodnik koji funkcioniše na sobnim temperaturama i standardnim pritiscima”. Materijal je dobio oznaku LK-99 i, u suštini, predstavlja modifikovanu verziju minerala poznatog kao olovo-apatit. Da stvar bude još zanimljivija, na osnovu objavljene hemijske recepture, reklo bi se da za pripremu novog materijala nisu potrebne nikakve retke supstance: materijal o kome se radi predstavlja relativno jednostavan polikristal napravljen od olova, kiseonika i fosfora, dodatno obogaćen atomima bakra. Uz to, za pripremu LK-99 nije potrebna nikakava specijalna laboratorijska oprema. Sasvim očekivano, vest se munjevito proširila na Twitter, Youtube i ostale velike društvene mreže. Da li se zaista nalazimo na pragu nove tehnološke revolucije?

Nije ovo prvi put da neki tim naučnika smelo objavi neko revolucionarno otkriće na polju superprovodljivosti. Takvih slučajeva bilo je i tokom devedesetih godina ali su sve te senzacionalne vesti brzo demantovane. Poslednji put ovo se desilo pre par godina kada su naučnici sa Univerziteta u Ročesteru objavili postojanje superprovodljivosti na sobnoj temperaturi uz visoke pritiske. Njihov eksperiment sa dijamantskom presom u koju je ubačena mešavina ugljenika, sumpora i vodonika niko nije mogao da ponovi tako da je njihov rezultat na kraju bio odbačen. Ove godine pokušali su ponovo, tvrdeći da jedna smesa materijala na bazi lutecijuma  demonstrira superprovodljivost na sobnoj temperaturi. Ovoga puta, naučna zajednica reagovala je još žešće: čitav rad je brzo diskreditovan i demontiran  a naučnici optuženi za plagijat i objavljivanje isfabrikovanih podataka. 

Slika koja je zapalila svet: LK-99

U slučaju korejskih naučnika preovladao je optimizam: brojni svetski naučni timovi u preko sto laboratorija, pokušali su da reprodukuju njihov rezultat. Uključili su se čak i pojedinci, iako su mnogi od njih imali problem da pribave crveni fosfor, kontrolisanu supstancu koja se koristi za “kuvanje” droge poznate kao “kristal met”. Prvi su se oglasili kineski naučnici: iako definitivne potvrde nije bilo, eksperimenti ponovljeni na maloj količini LK-99 dali su ohrabrujuće rezultate. Pojavila se i slika delića materijala koji lebdi iznad velikog magneta, nešto što obavezno očekujete od svakog superprovodnog materijala. Teorijska izračunavanja obavljena u prestižnim svetskim univerzitetskim centrima nisu pronašla nikakvu fundamentalnu grešku u korejskom radu. Štaviše, sve je ukazivalo na to da su korejski naučnici možda na dobrom tragu. Javnost je već počela da špekuliše o tome ko će od njih poneti narednu Nobelovu nagradu za fiziku. Međutim, kako je vreme odmicalo, bilo je i sve više skeptika koji su dostiignuće korejskih naučnika smatrali malo verovatnim.

Šta su, zapravo, superprovodnici i zašto su tako značajni za današnji svet? Pođimo od običnog električnog provodnika napravljenog od metala poput bakra. U atomima metala, elektroni koji su najudaljeniji od atomskog jezgra vezani su vrlo slabim vezama za mjega. Kada na krajeve metalnog provodnika postavite izvor elektičnog napona, ovo “more” relativno slobodnih elektrona počinje da se kreće stvarajući ono što u svakodnevnom životu nazivamo električnom strujom. 

Proces, međutim, nije savršen. Atomi električnog provodnika nisu nepokretni - oni neprekidno osciluju oko svog ravnotežnog položaja u metalnoj strukturi i sudaraju se sa elektronima koji putuju kroz metal. Prilikom kolizije, deo energije elektrona prenosi se na atome metala u vidu toplote. Drugim rečima, kažemo da provodnik ima “otpor”: što je taj otpor veći, zagrevanje provodnika je jače. Konverzija električne energije u toplotnu može se iskoristiti kod uređaja kao što su bojleri, termo-akumulacione peći ili sijalice. U svim ostalim slučajevima, otpor električnog provodnika izaziva štetne gubitke: električna energija koju elektrana isporučuje u prenosnu mrežu, manja je od energije koja će na kraju stići do krajnjih potrošača jer će oko 8-15% energije dalekovodi i trafo-stanice konvertovati u toplotu. To, otprilike znači, da od 10 nuklearnih elektrana, bar jedna radi u “prazno”, samo da pokrije troškove gubitka u prenosnoj mreži.

Magnentna rezonanca

Usled električnog otpora, svi električni uređaji greju se u većoj ili manjoj meri: kompjuteri, telefoni, televizori, raznorazne mašine, električni automobili... Gubici se mogu smanjiti koristeći provodnike napravljene od materijala čiji je električni otpor mali ali izbor nije uvek jednostavan: zlato i srebro su izvrsni električni provodnici ali su i skupi tako da je njihova upotreba limitirana. Zato se, u praksi, najčešće koriste bakar, aluminijum i gvožđe, mada se u poslednje vreme sreću i neki egzotični materijali poput grafena.

Kako smanjiti gubitke izazvane električnim otporom? Jedan od načina je da ohladite provodnik kroz koji protiče električna struja. Kako temperatura opada, i intenzitet oscilovanja atomskih jezgara opada, sudari sa slobodnim elektronima se proređuju, toplotni gubici se smanjuju, samim tim i električni otpor. Kada temperaturu smanjite na apsolutnu nulu (0K), otpor provodnika dostiže neku minimalnu vrednost. U želji da detaljnije prouči ovaj fenomen, holandski naučnik Hajke Kamerling Ons je 1911. godine napravio seriju eksperimenata sa živom na vrlo niskim temperaturama koristeći tečni helijum kao sredstvo za hlađenje. Prema očekivanju, utvrdio je da otpor žive opada sa snižavanjem temperature. Međutim, kada je temperatura pala na svega 4.2K (-268.95oC), Ons je iznenađeno primetio da je električni otpor žive pao na nulu. Živa se transformisala u savršen “superprovodnik” koji ne pruža nikakav otpor proticanju električne energije. Za ovo otkriće Ons će kasnije dobiti i Nobelovu nagradu. 

Svi superprovodnici imaju još jednu interesantnu osobinu: pošaju se kao idealni dijamagnetici. Superprovodnik ne dozvljava prolazak magnetnih linija sila kroz svoju unutrašnjost. Umesto toga, okolne magnetne linije se deformišu, formirajući “jastuk” na kome superprovodnik levitira. Prostim rečima, ako superprovodnik postavite iznad magneta, superprovodik će početi slobodno da lebdi! Ova pojava, poznata kao “Majsnerov efekt” predstavlja još jedno ključno svojstvo koje svaki superprovodni materijal mora da ima.  

Najjači superprovodni elektromagnet

Prošle su decenije pre nego što je fenomen superprovodljivosti i teorijski objašnjen. Tek 1957. godine Barden, Kuper i Šrifer će pokazati da superprovodljivost nastaje zahvaljujući formiranju tzv. “Kuperovih parova”, vezanih parova elektrona koji u tandemu putuju kroz električni provodnik (objašnjenje će im kasnije doneti Nobelovu nagradu). Ovi parovi, sasvim paradoksalno, opstaju i pored činjenice da se elektroni međusobno odbijaju. Na niskim temperaturama, oscilacije atomskih jezgara suviše su male da bi Kuperovi parovi bili razbijeni na pojedinačne elektrone - oni putuju kroz materijal odbijajući se od jezgara kao ping-pong loptice, ne gubeći pritom ni delić svoje energije. 

Kasniji eksperimenti pokazali su da se, pod određenim uslovima, i drugi materijali transformišu u superprovodnike. Mnogi metali, legure, poluprovodnici pa čak i keramički materijali stiču osobine superprovodnika kada se ohlade ispod odgovarajuće kritične temperature. Kod nekih materijala, kritična temperatura je znatno viša: lantan hidrid postaje superprovodan na temperaturi od -23oC, ali uz pritisak koji je 1.9 miliona puta veći od atmosferskog. Iako ne postoji univerzalna teorijska formula koja određuje na kojoj temperaturi se neki materijal pretvara u superprovodnik, fenomen superprovodljivosti do današnjeg dana ostao je vezan za vrlo niske temperature. 

Kakva je praktična korist od superprovodljivosti? Kada jednom pokrenete elektrone u superprovodniku, oni nastavljaju da se kreću bez otpora. Proračuni pokazuju  da električna struja u superprovodniku može da opstane stotinama hiljada godina bez dodatnog izvora energije. Kada nema otpora i grejanja provodnika, jačina električne struje može da bude vrlo velika, reda nekoliko hiljada ampera. Jaka električna struja stvara ekvivalentno jako magnetno polje, neuporedivo jače od onog koje generišu standardni elektromagneti na sobnim temperaturama. 

Ovako jaki elektromagneti mogu efikasno da upravljaju kretanjem naelektrisanih čestica. Zato se duboko rashlađeni superprovodljivi magneti koriste u akcelaratorima, poput onog u Cernu u kome se snop protona ubrzava do brzine bliske brzini svetlosti. Koriste se i u eksperimentalnim fuzionim rektorima (poput ITER-a) u kojima se plazma zagreva do temperature od više desetina miliona stepeni kako bi u njoj započeo proces termonuklearne fuzije uz oslobađanje energije. Kako vrela plazma ne bi uništila zidove reaktora, ona se drži “zarobljenom” u magnetom polju koje stvaraju supreprovodni magneti. 

Kineski "maglev" voz

Korišćenjem Majsnerovog efekta i magnetne levitacije moguće je napraviti i tzv. “maglev” vozove koji lebde iznad šina na magnetnom jastuku, uz dostizanje fantastičnih brzina od oko 600 kilometara na sad. Kina već decenijama istražuje ovaj koncept a jedan voz već funkcioniše u Šangaju. Ozbiljna istraživanja vrše se i u Japanu a prva linija između Tokija i Nagoje najavljena je za 2027. godinu. Sličan projekat realizuje se i u Americi: ideja je da se Njujork i Vašington povežu “levitirajućom železnicom” tako da za put od jednog do drugog grada bude potreban samo jedan sat. 

Bez superprovodnika ne bi postojala ni magnetna rezonanca (MRI), verovatno najefikasnija i najznačajnija dijagnostička mašina današnjice. Preciznost snimka i kvalitet dijagnoze prvenstveno zavise od jačine magnetnog polja koje mašina stvara. Za tako nešto potrebni su izuzetno jaki magneti koje stvara električna struja u superprovodnicima. Superprovodnici su našli svoju primenu i u računarskoj tehnici: koriste se za kreiranje i održavanje “kubita”, fundamenatalnih informatičkih jedinica u kvantnim računarima.

Ali, ako se osvrnete oko sebe i pogledate tehničke uređaje koje svakodnevno koristimo, videćete da u njima nema superprovodnika. Kompjuteri i telefoni se i dalje greju. Elektrodistribucija i dalje potroši silne megavate električne energije na beskorisno zagrevanje dalekovoda i trafo-stanica. Vozovi i dalje koriste točkove a ne magnetne jastuke. Razlog je prost: do danas nije otkriven materijal koji bi imao superprovodna svojstva na uobičajenim (“sobnim”) temperaturama. Neophodno je duboko hlađenje koje se može obezbediti samo korišćenjem specijalnih “frižidera” u kojima se kao radni fluid koriste kriogeni gasovi. 

Zato je rad na kreiranju superprovodnika koji zadržavaju svoja svojstva i na visokim temperaturama tako važan. Zamislite svet u kome se proizvodi isključivo zelena energija iz obnovljivih izvora kao što su sunce i vetar a zatim, korišćenjem superprovodnika, transportuje do krajnjih potrošača bez ikakvog usputnog gubitka, bez emisije ugljen-dioksida i štetnih klimatskih uticaja! U tu sliku dobro će se uklopiti i buduće termonuklearne (fuzione) elektrane na čijem se razvoju intenzivno radi.

Ne može bez gubitaka

Ako bi takvi materijali postojali, mnogi uređaji bili bi drastično pojednostavljeni što bi ih učinilo jeftinijim i pristupačnijim. Tipična magnetna rezonanca, na primer, koristi oko 2.000 litara tečnog helijuma koji održava superprovodne magnete na temperaturi od svega par stepeni iznad apsolutne nule. Ohladiti helijum do tako niske temperature je tehnički komplikovan i izazovan posao. Helijum je uz to i veoma skup gas - nema ga u atmosferi već se dobija kondenzacijom iz prirodnog gasa koji je prethodno bio izložen dejstvu prirodnog zračenja duboko u zemljinoj kori. Zato su MRI uređaji izuzetno skupi što najviše pogađa pacijente u manje razvijenim zemljama koje sebi ne mogu da priušte dovoljan broj ovih dragocenih aparata. Činjenica je da se MRI uređaj može napraviti i bez superprovodnika, ali bi takav uređaj imao znatno manju rezoluciju, što bi vodilo i do manje precizne dijagnoze i neadekvatne terapije. Preciznost u ovom slučaju bukvalno predstavlja razliku između života i smrti.

Hipotetični superprovodnici na sobnoj temperaturi iz temelja bi promenili i industriju kompjutera. Mikroprocesori nove generacie bili bi bar 10 puta brži i trošili 300 puta manje energije ako bi bili napravljeni od superprovodnih materijala. Takvi čipovi generisali bi manje toplote što bi dovelo do kompaktnijeg dizajna, dužeg života baterije i manjeg opterećenja električne mreže u eri digitalne ekonomije. 

Neki superprovodnici imaju znatno veću kritičnu temparaturu tako da se u radnom stanju mogu održavati pomoću neuporedivo jeftinijeg tečnog azota koji ključa na temperaturi od -196oC. Ali ni to nije dovoljno: superprovodni materijal mora da ima i odgovarajuća mehanička svojstva kako bi mogao lako da se obrađuje i dovede do željenog oblika. Keramički superprovodnici su, recimo, suviše krti da bi imali značajniju praktičnu primenu. Postoje i krajnje egzotični materijali koji su dostupni u izobilju (poput gvožđa) ali superprovodljiva svojstva manifestuju samo na pritiscima koji su milionima puta veći od atmosfereskog čime je eliminisana mogućnost njihove tehničke upotrebe. 

Eto zbog čega je javnost sa velikom znatiželjom propratila vest o dostignuću korejskih naučnika. Ali, kada je prašina počela da se sleže, nad celo otkriće nadvio se tamni oblak. Pre svega, reklo bi se da u korejskom timu odnosi među istraživačima nisu u najboljem redu. U kratkom roku na internetu su osvanule dve verzije rada koje, u načelu, opisuju isto dostignuće ali sa značajnim razlikama. Lista autora je slična ali ne i identična. Jedan od autora je čak izjavio da prva verzia rada pati od brojnih nedostataka i da je objavljena bez njegove saglasnosti. 

Nakon toga, stručnjaci su primetili i nedostatke u metodologiji rada: pre svega, nije bilo nepristrasne recenzije. Autori nisu pre obajvljivanja zatražili mišljenje nekog od poznatih stručanjaka, što se donekle može objaviti njihovim strahom da ih neko ne pretekne i prvi objavi identičnu vest. U samom radu mnogo toga nije na zadovoljavajućem stručnom nivou: na primer, nulti električni otpor detektovan je na uzorku materijala koji nije bio dovoljno “čist”. Drugi ključni dokaz, Majsnerov efekat i levitacija uzorka materijala u magnetnom polju, takođe je traljavo izveden: uz određene uslove, u magnetnom polju mogu da lebde i grafit i bizmut i žabe i jagode, iako sve to sa superprovodljivošću nema nikakve veze. 

Kako je vreme odmicalo, korejsko “dostignuće” bilo je na sve klimavijim nogama da bi se na kraju raspalo kao kula od karata. Nakon detaljenije procene, mnogi su izjavili da Korejci, zapravo, nemaju mnogo znanja o super-provodljivosti i da su njihovi argumenti u velikoj meri nategnuti i diskutabilni. Indijski naučnici su već 31. jula bezrezervno ustvrdili da LK-99 nije superprovodnik. Sa tim su se, takoreći istovremeno, saglasili i kineski naučnici, isti oni koji su bili optimisti nakon prelminarnih rezultata. Korejsko društvo za istraživanje superprovodljivosti je 3. avgusta diskreditovalo LK-99 kao superprovodnik jer “materijal ne demonstrira Majsnerov efekt”. Slično je reagovao i Univerzitet u Merilendu, četiri dana kasnije: “Sa velikom dozom tuge moramo da kažemo: igra je završena. LK-99 nije superprovodnik, ne vredi se svađati sa istinom”.  

Diskutabilni su čak i osnovni fizički postulati. Konvencionalni superprovodnici kao što su kalaj, olovo, živa i niobijum, spadaju u metale. Mnoge legure (mešavine metala) takođe demonstriraju superprovodna svojstva na niskim temperaturama. Sa druge strane, nemetalni materijali, koji imaju višu kritičnu tempearturu, kao što je itrijum-barijum-bakar-oksid, moraju da budu “dopingovani” atomima metala na vrlo precizan način kako bi počeli da provode struju. Koreanci su krenuli od olovnog apatita koji je, u suštini, jako dobar izolator i dopingovali ga atomima bakra. Sličnost bakra i olova toliko je velika da se ne vidi kako je ovaj “bakarni tretman” uopšte mogao da izmeni bazična svojstva materijala. Jedan od naučnika, komentarišući originalni korejski rad i hemijsku kompoziciju LK-99, kaže: “Oni su svoju tezu počeli kamenom. Od kamena na kraju obično ispadne samo kamen. A kamenje ne provodi električnu struju”.

Fuzioni reaktor sutrašnjice

Iako je još uvek rano da se na celu priču stavi tačka, iako pojedini autori “korejskog čuda” istrajavaju u tvrdnjama da negativni rezultati širom sveta predstavljaju posledicu nesposobnosti da se LK-99 proizvede na pravi način, reklo bi se da naučna zajednica neumoljivo konvergira ka jedinstvenom zaključku: LK-99 ne samo da nije superprovodnik nego nije ni naročito dobar provodnik. Umesto dijamagnetnih svojstava, LK-99 je običan feromagnetni materijal, nalik na magnetnu iglu u običnom kompasu. 

Svejedno, istraživanja će se nastaviti. Današnja ekonomija bazira se sa teoriji (ne)održivog razvoja. Bez ekonomskog rasta, ceo globalni svetski poredak urušio bio se sam u sebe. Taj rast, na žalost, pogubno deluje na našu životnu okolinu i mi tek od nedavno pokušavamo da se nosimo sa tim izazovom. Superprovodnici nove generacie, uključujući i one hipotetične, koji funkcionišu na sobnoj temperaturi, predstavljaju čudotvorni materijal koji treba da umanji štetne posledice nekontrolisane ekspanzije čovečanstva: ovi materijali mogu da uspore klimatske promene, da smanje emisije štetnih gasova, podignu efikasnost mašina i unaprede kvalitet života na način koji smo dosad videli samo u naučno-fantastičnim filmovima. 

Ono što naučnici danas pokušavaju da postignu je da kreiraju superprovodljivi materijal koji je praktičan za upotrebu: on treba da bude funkcionalan na što višim temperaturama, treba da bude jeftin za proivodnju, da se lako obrađuje i da ne traži visoke radne pritiske. Takakv materijal u kratkom roku bi promenio svet u kome živimo, slično kao što su to učinili poluprovodnici. Nakon iskustva sa LK-99, reklo bi se da smo ponovo vraćeni na početnu tačku. 

Postojanje superprovodljivosti na sobnim temperaturama i dalje je jedno od najvećih nerešenih pitanja današnje fizike: da li je tako nešto uopšte moguće? Mnogi naučnici su skeptični, smatrajući da je šansa za to jednako mala kao i da na livadi naletite na jednoroga. Po njima, treba se okrenuti poboljšanju materijala koje već dobro poznajemo, tu ima još dosta prostora za napredak. Ali, naučnici su čudna bića: neki od njih nastaviće da tragaju za jednorogom, ma kako beznadežno to bilo.

Patološka nauka

Hladna fuzija, nemoguća misija

Sadašnja priča oko otkrića korejskih naučnika pomalo podseća na epizodu iz 1989. godine kada su dvojica fizičara, Martin Flajšman (Britanija) i Stenli Pons (SAD), objavili postojanje tzv. “hladne fuzije”. Eksperimentišući sa elektrolitom baziranom na teškoj vodi i elektrodama od paladijuma, načunici su uočili “energetski višak”, disbalans u uloženoj i dobijenoj energiji, koji se nije mogao objasniti hemijskim putem već isključivo nuklearnim reakcijama. Teška voda hemijski liči na onu običnu, ali su u njoj atomi vodnika zamenjeni njegovim težim izotopom - deuterijumom. Za deuterijum se odavno zna da podleže fuzionim reakcijama, procesu u kome teži elementi nastaju od lakših. Praktično istovetan proces dešava se u centru Sunca, na nezamislivo viskoim pritiscima i temperaturima, uz oslobađanje kolosalnih količina energije. Uz to, Flajšman i Pons su tvrdili da se u njihovoj aparaturi stvara i mala količina još težeg izotopa vodonika - tricijuma, nusproizvoda nuklearne fuzije - što ih je navelo na pomisao da su u jednoj običnoj čaši, na sobnoj temperaturi, uspeli da stvore minijaturno Sunce. Izobilje jeftine energije bilo je na dohvat ruke.

Čitava armija naučnika pokušala je da reprodukuje eksperiment Flajšmana i Ponsa. Ustanovljen je i Institut za hladnu fuziju koji je trebalo da radi na daljoj razradi ideje. Međutim, kako je vreme proticalo, ključne teze njihovog rada počele su da padaju u vodu, sve dok nije opovrgnut i glavni rezultat, prozivodnja tricijuma u fuzionoj reakciji. Ispostavilo se da niko nije mogao da ponovi eksperiment sa sličnim rezultatima dok je mali broj slučajeva u kojima je detektovan energetski disbalans objašnjen standardnim hemijskim procesima. Slučaj je postao toliko značajan da je njime moralo da se pozabavio i američko Ministarstvo za energiju koje je tek nakon dugotrajnog većanja odlučilo da odbaci celu ideju i uskrati bilo kakvu finansijsku pomoć naučnicima koji su se bavili fenomenom hladne fuzije. Pomenuti institut bankrotirao je jedva godinu dana nakon osnivanja.

Flajšman i Pons su dugo i uporno branili svoj rad i nisu se predavali sve dok je postojala i najmanja šansa da se u njemu krije neko originalno otkriće. Na žalost, nije ga bilo. Danas je hladna fuzija klasifikovana u tzv. “patološku nauku”. Ovaj izraz označava kontroverzna ili pseudo-naučna istraživanja koja polaze od nerealnih ili neosnovanih pretpostavki i na bazi subjektivnih interpretacija, korišćenjem kvazi-naučnih metoda, proizvode senzacionalne i netačne rezultate. Flajšman i Pons su se vratili u totalnu naučnu anonimnost i od tada nisu objavili nijedan značajniji naučni rad.

Vreme #1702