De toekomst: Kracht wordt supergeleidend
Zo heet als de kern van de zon – dat was het doel, dat Tokamak Energy in juni 2018 bereikte toen natuurkundigen van het bedrijf de temperatuur in de bolreactor tot 15 miljoen °C opjoegen.
De reactor bootst de processen in de zon na door waterstof te laten fuseren tot helium.
Maar de Britten zijn daar nog niet tevreden mee – ze willen de zon niet nabootsen, maar overtreffen.
In 2020 moet de reactor naar de 100 miljoen °C, wat de fusieprocessen sterk aanzwengelt en op termijn voor eeuwig energie geeft.
Voor zulke hoge temperaturen is er een elektromagnetisch wonderprincipe nodig: supergeleiding, of stroom zonder weerstand.
Tot dusver is supergeleiding slechts beperkt toegepast, zoals in MRI-scanners, maar met de nieuwste materialen die met goedkope vloeibare stikstof gekoeld kunnen worden, is het potentieel oneindig groot.
Hyperloop zweeft zonder wrijving
Waar de bolreactor nog in het proefstadium is en waarschijnlijk pas na 2030 gaat draaien is de ‘tweede elektromagnetische revolutie’ op andere punten al in gang gezet.
Met 430 km/h vervoert de snelste trein op aarde dagelijks duizenden passagiers tussen de internationale luchthaven en het centrum van Shanghai.
Video: Magneettrein accelereert tot een snelheid van 431 km/h
Omdat de wagons op magneten zweven, is er geen sprake van wrijvingsweerstand tussen wielen en rails, terwijl wisselende magneetvelden de trein razendsnel voortstuwen.
Maglevtreinen (van ‘magnetische levitatie’) zijn er ook al in Japan en Zuid-Korea, maar die moeten het opnemen tegen hogesnelheidstreinen op rails (zoals de Franse TGV) en vliegtuigen, en dat is lastig.
Maar die situatie kan kenteren als het Hyperloopconcept aanslaat.
Hierbij schiet de trein door een vacuümbuis en wordt hij niet door de luchtweerstand vertraagd.
En omdat de trein tegelijkertijd boven magneten zweeft, zal de Hyperloop een duizelingwekkende 1200 km/h kunnen halen.
Vanuit Amsterdam ben je dan in een half uur in Parijs en op de middellange afstand zal de Hyperloop sneller dan het vliegtuig zijn omdat er geen gedoe is zoals op de luchthaven.
De technologie wordt nu getest op een 500 meter lang traject in Nevada, en in India zal er een commerciële lijn komen tussen de steden Pune en Mumbai.
Geen snoeren meer in huis
Nieuwe elektromagnetische technologieën kun je ook thuis verwachten. Je elektrische tandenborstel laadt misschien al draadloos op met behulp van magnetische velden, wat ook met de elektrische auto gaat gebeuren.
Al begin 20e eeuw droomde de Servische natuurkundige Nikola Tesla ervan huizen en fabrieken te voorzien van draadloze stroom.
Tesla bouwde in 1902 een toren bij New York die microgolven moest uitzenden, die door ontvangers in huizen in elektriciteit konden worden omgezet.
Het verhaal luidt dat het project gestaakt werd omdat investeerders bang waren dat consumenten niet zouden betalen voor hun elektriciteit.
De Tesla Tower was in 1904 gereed en was 57 meter hoog. De toren, die in Shoreham bij New York werd gebouwd, werd echter nooit gebruikt en werd in 1916 afgebroken.
Draadloze transmissie van stroom over lange afstanden zal hoogspanningskabels niet snel vervangen, want het energieverlies zou te groot zijn.
Maar in woningen kunnen elektrische apparaten wel voorzien worden van draadloze stroom, zoals de computer, tv, lampen en telefoons, zodat je mobiel altijd is opgeladen als je de deur uitgaat.
Het principe van draadloze stroom is dat een zender wisselstroom omzet in een golvend magnetisch veld, dat een ontvanger weer omzet in stroom.
10,5 tesla is de veldsterkte van de krachtigste MRI-scanner ter wereld.
De kracht van het magneetveld neemt echter met de afstand af, en tot tien jaar geleden waren enkele centimeters al een heel probleem.
Maar aan het Massachusetts Institute of Technology is ontdekt dat het energieverlies minimaal is als zender en ontvanger met één frequentie golven, wat tot resonantie leidt.
Door hier gebruik van te maken wist het MIT 60 watt over een afstand van 2 meter te sturen, en de tv op een halve meter van de zender had slechts 30 procent energieverlies.
Draadloze stroom zet je lamp aan
Weg met die wirwar van kabels. Over een paar jaar kunnen de lampen, tv’s en mobiele telefoons bij je thuis worden opgeladen met draadloze stroom.
De MIT-onderzoekers richtten het bedrijf Witricity op om de markt op te gaan, maar de laatste jaren richten ze zich op het draadloos opladen van elektrische auto’s tijdens het parkeren.
Hier benut de technologie de korte afstand tussen de vaste zender en de ontvanger onder de auto. Vorig jaar bleek dat op parkeerplaatsen in Berlijn 90 procent van de draadloze stroom in de accu belandt.
Ter vergelijking: bij opladen via een kabel is dat 95 procent van de energie.
Dit draadloze opladen wordt eerst op parkeerplaatsen ingevoerd, maar tests met elektrische bussen in Tel Aviv wijzen uit dat de accu ook kan opladen tijdens het rijden via magnetische spoelen in het wegdek.
Op termijn kunnen elektrische voertuigen hierdoor dus opladen terwijl ze op de snelweg rijden.
Supergeleiding met superkoeling
De grootste elektromagnetische revolutie in de 21e eeuw zal echter van supergeleiding komen, stroom zonder weerstand, in 1911 door de natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes ontdekt.
In supergeleidend materiaal blijft stroom alsmaar draaien in een spoel. Alle supergeleidende materialen hebben een zogeheten kritieke temperatuur waarbij hun supergeleidende eigenschap optreedt en de stroom voorgoed blijft lopen, zonder weerstand.
Video: Kijk hoe een afgekoelde supergeleider boven een möbiusband zweeft
Wordt de kritieke temperatuur overstegen, dan houdt de supergeleiding meteen op en ontstaat er weerstand, net als in een gewone koperen leiding.
De klassieke metallische supergeleiders moeten gekoeld worden tot -269 °C met het dure vloeibare helium.
Daarom heeft slechts één toepassing het tot de praktijk geschopt: de 25.000 MRI-scanners die ziekenhuizen wereldwijd gebruiken voor diagnostiek.
Bloed bevat veel waterstof, dat signalen geeft in een MRI-scanner. Het beeld laat de bloeddoorstroming in de hersenen zien, opgenomen met een krachtige scanner van 7 tesla.
De magneten leveren veelal velden van 1,5 tot 3 tesla, zeg maar de kracht van 1500 tot 3000 koelkastmagneetjes.
De laatste jaren zijn er meerdere scanners van 7 tesla in gebruik genomen. Hoe krachtiger het veld, des te kleiner de details die een scanner kan zien.
Met 3 tesla is de resolutie 1 millimeter, met 7 tesla 0,5 millimeter, wat dus een verfijnder beeld van het inwendige lichaam oplevert.
De eerste MRI-scanner met een kracht van 10,5 tesla wordt momenteel getest aan de universiteit van Minnesota.
De resolutie wordt naar verwachting circa 0,2 millimeter. Daarmee is het mogelijk de hersenen aan het werk te zien.
Scanners kunnen bijvoorbeeld waarnemen hoe de zeven lagen in de hersenschors van maar 3 millimeter dikte zenuwsignalen uitwisselen als de hersenen informatie verwerken en besluiten nemen.
MRI-scanner ziet brein werken
In 2022 wordt de Franse Iseult-scanner aangezet. Met een resolutie van nog geen 0,2 millimeter kunnen artsen details in levende hersenen zien die anders alleen zichtbaar zijn in hersenplakjes onder de microscoop. Daarmee kunnen ze groepjes zenuwcellen zien samenwerken en hersenziekten beter diagnosticeren.
-
Supergeleiding door helium
Een koelinstallatie levert vloeibaar helium van -271 °C aan. Zo’n 7000 ton vloeibaar helium circuleert in een kringloop rond de gigantische magneet van de scanner en houdt de supergeleidende stroom in stand.
-
182 kilometer aan leidingen
De scanner bestaat uit 182 kilometer niobiumtitaanleidingen. De windingen daarvan vormen een 5 meter lange elektromagneet van 132 ton. Deze magneet wekt een veld op van 11,7 tesla: 223.000 keer het aardmagnetisch veld.
-
Scanner ziet het levende brein
Een radiozender verandert de magnetische richting van waterstofatomen. Keren de atomen weer om, dan zenden ze een signaal uit dat de scanner opvangt. Zo wordt de anatomie van cellen, zenuwactiviteit of stofwisseling zichtbaar.
Stikstof vervangt helium
Hogetemperatuursupergeleiders zullen over een tijdje tot geheel nieuwe mogelijkheden leiden.
Deze supergeleiders van keramische materialen die bij grote hitte werken hoeven ‘slechts’ te worden gekoeld tot -196 °C, en dat kan met vloeibare stikstof, dat veel beter beschikbaar is dan vloeibaar helium.
Hierdoor worden MRI-scanners kleiner en goedkoper.
De bedrading die de windingen van de magneten vormt, is al industrieel vervaardigd en recent hebben Amerikaanse onderzoekers ’s werelds sterkste magneet met een veldsterkte van 45,5 tesla gemaakt van de keramische supergeleider Rebco.
Tokamak Energy’s supergeleidende Rebco-magneet bestaat uit tape met metalen eromheen. De supergeleidende tape wordt rond een magneetspoel gewikkeld bij wijze van windingen.
Het vermogen om zulke krachtige magnetische velden te creëren kan leiden tot technologische doorbraken, zoals in de bolronde reactor van Tokamak Energy.
Om temperaturen van 100 miljoen °C te kunnen bereiken en in stand te houden zal de fusiebrandstof ingesloten moeten worden in een kooi van extreem krachtige magnetische velden, wat alleen kan met stikstofgekoelde supergeleiders als Rebco.
Supergeleiders wekken oneindig veel energie op
Natuurkundigen ontdekten 34 jaar geleden de hogetemperatuursupergeleider, die met goedkope vloeibare stikstof te koelen is. De technologie gaat nu worden gebruikt in extreem krachtige supergeleidende magneten, die plasma van miljoenen graden kunnen samenpersen in een fusiereactor.
Supergeleiding op 20 °C
Maar dat is nog niet alles. Natuurkundigen hopen supergeleiders te ontwikkelen die op kamertemperatuur werken, waarmee een elektriciteitsnet bijvoorbeeld geen energie verliest.
Een groep Duitse en Amerikaanse wetenschappers heeft al supergeleiding bewerkstelligd bij -22 °C in een materiaal van het metaal lanthaan en waterstof.
Het nadeel van lanthaanhydride is dat het pas supergeleidend is bij een druk van minstens 1 miljoen atmosfeer in een diamantdrukcel.
Video: Elektromagnetisch kanon schiet projectielen af met 9000 km/h
Een praktische toepassing laat op zich wachten, maar ligt in het verschiet als het lukt om vast waterstofmetaal te produceren.
Volgens de theorie behoudt het waterstofmetaal zijn atoomstructuur en eigenschappen als de druk wegvalt, net als diamanten die onder hoge druk en temperatuur in de aarde ontstaan maar hun vorm boven de grond behouden.
Die hoop kan deze eeuw nog worden vervuld, waarmee onze elektromagnetische wereld helemaal supergeleidend zal zijn.
