जुलाई के अंत में LK-99 का क्रेज अगस्त के मध्य में धीरे-धीरे कम हो गया। कई आधिकारिक संस्थानों द्वारा लगातार एलके-99 की सुपरकंडक्टिविटी को गलत साबित करने के बाद, नेचर ने आधिकारिक तौर पर 16 अगस्त को एक दस्तावेज जारी किया जिसमें इस बात से इनकार किया गया कि एलके-99 एक कमरे के तापमान वाला सुपरकंडक्टर है। लेकिन एक सवाल बना हुआ है: क्या एक वास्तविक कमरे के तापमान वाला सुपरकंडक्टर क्रांतिकारी होगा?
उत्तर अनुप्रयोग के क्षेत्र पर निर्भर करता है और क्या परिकल्पित सामग्री में अन्य प्रमुख गुण हैं। लेकिन विज्ञान के कम से कम कुछ क्षेत्रों में, विशेष रूप से जो मजबूत चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करते हैं, बेहतर सुपरकंडक्टर्स का बड़ा प्रभाव हो सकता है।
सुपरकंडक्टर एक ऐसा पदार्थ है जो एक निश्चित तापमान पर बिना किसी प्रतिरोध के विद्युत धारा प्रवाहित कर सकता है और इसलिए अपशिष्ट ताप उत्पन्न नहीं करता है।
लेकिन सभी पुष्टि किए गए सुपरकंडक्टर्स इस गुण को केवल कम तापमान या अत्यधिक दबाव की स्थिति, या दोनों में प्रदर्शित करते हैं।
सुपरकंडक्टिंग चरण संक्रमण के दौरान ताप क्षमता (सी(वी), नीला) और प्रतिरोधकता (ρ, हरा) का व्यवहार
ऐसी सामग्रियां पहले से ही प्रयोगशाला में व्यापक रूप से उपलब्ध हैं क्योंकि शोधकर्ता अपने तापमान को कम करने के लिए कई तकनीकों का उपयोग करने में सक्षम हैं, हालांकि इससे प्रयोगों की लागत और जटिलता बढ़ जाती है।
लेकिन दैनिक अनुप्रयोगों में, सुपरकंडक्टर्स की कम तापमान की आवश्यकताओं को दूर करना एक कठिन सीमा है।
एक चरम उदाहरण लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (एलएचसी) है, जो सीईआरएन का एक त्वरक है।
27 किलोमीटर के घेरे में प्रोटॉन को स्थानांतरित करने के लिए, एलएचसी एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए सिर्फ 1.9 केल्विन (-271.25ºC) के तापमान के साथ सुपरकंडक्टिंग कॉइल का उपयोग करता है।
ऐसा करने के लिए सबसे पहले 96 टन तरल हीलियम युक्त क्रायोजेनिक प्रणाली की आवश्यकता होती है। यह दुनिया में अपनी तरह की सबसे बड़ी प्रणाली है।
CERN के एक चुंबक शोधकर्ता और परमाणु इंजीनियर लुका बोटुरा ने एक बार कहा था, "अगर हमें अत्यधिक तापमान की आवश्यकता नहीं है, तो इंजीनियरिंग डिजाइन बहुत सरल हो जाएगा।"
इसलिए, सुपरकंडक्टर्स जो कमरे के तापमान पर या उसके आसपास काम कर सकते हैं, विज्ञान के कई क्षेत्रों में तेजी से क्रांति लाएंगे।
लेकिन विज्ञान अभी वहां नहीं है.
क्वांटम समस्या
उदाहरण के तौर पर क्वांटम कंप्यूटर को लें। इस उभरती हुई तकनीक से कुछ ऐसे कार्यों को हल करने की उम्मीद की जाती है जिन्हें शास्त्रीय कंप्यूटर पूरा नहीं कर सकते।
क्वांटम कंप्यूटर बनाने का एक मुख्य तरीका सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों के छल्ले में जानकारी संग्रहीत करना है।
क्वांटम कंप्यूटर
सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों को लगभग पूर्ण शून्य (-273.15ºC) तक ठंडा किया जाता है और फिर महंगे, रूसी-गुड़िया जैसे उपकरणों में रखा जाता है जिन्हें कमजोर पड़ने वाले रेफ्रिजरेटर कहा जाता है।
कमजोर पड़ने वाला रेफ्रिजरेटर
सुपरकंडक्टर्स पर आधारित क्वांटम कंप्यूटरों में, यदि तापमान एक डिग्री के कुछ दसवें हिस्से तक भी बढ़ जाता है, तो प्रदर्शन में तेजी से गिरावट आएगी, जिसका सुपरकंडक्टिविटी से कोई लेना-देना नहीं है।
सुपरकंडक्टिंग क्वांटम कंप्यूटिंग के सह-आविष्कारक यासुनोबु नाकामुरा का मानना है कि क्वांटम कंप्यूटिंग किसी भी प्रकार के शोर के प्रति बेहद संवेदनशील है, और थर्मल कंपन एक प्रमुख दुश्मन है, जो नकली "क्वासिपार्टिकल्स" उत्पन्न कर सकता है।
उन्होंने उल्लेख किया कि तापीय रूप से उत्तेजित क्वासिपार्टिकल्स का प्रतिकूल प्रभाव लगभग 100-150 मिलीकेल्विन पर देखा जा सकता है।
अन्य मामलों में, प्रयोग के लिए बहुत कम तापमान की आवश्यकता नहीं हो सकती है, लेकिन सुपरकंडक्टर को सुपरकंडक्टिंग (यानी, टीसी) में परिवर्तित होने की तुलना में अभी भी बहुत कम तापमान पर बनाए रखने की आवश्यकता होती है।
सुपरकंडक्टर्स अपने भौतिक गुणों में भिन्न होते हैं। लेकिन कई अनुप्रयोगों में, विशेष रूप से उच्च-क्षेत्र वाले चुम्बकों में, दो गुण महत्वपूर्ण हैं: क्रांतिक धारा और क्रांतिक चुंबकीय क्षेत्र।
ऐसा इसलिए है क्योंकि सुपरकंडक्टिविटी न केवल तापमान बढ़ने पर खो जाती है, बल्कि तब भी खो जाती है जब सामग्री को एक निश्चित मात्रा से अधिक विद्युत प्रवाह ले जाने के लिए प्रेरित किया जाता है या पर्याप्त उच्च चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में लाया जाता है।
एमआईटी का क्रायोजेनिक सिस्टम उच्च संक्रमण तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स से भरा हुआ है। श्रेय: डेविड एल. रयान/द बोस्टन ग्लोब गेटी के माध्यम से
सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि क्रिटिकल चुंबकीय क्षेत्र और क्रिटिकल करंट दोनों तापमान पर निर्भर होते हैं: तापमान जितना कम होगा, सामग्री उतनी ही अधिक करंट और चुंबकीय क्षेत्र का सामना कर सकती है।
इसलिए, हालांकि एक सुपरकंडक्टर में उच्च Tc होता है, इसका मतलब यह नहीं है कि इसका उपयोग Tc से नीचे किसी भी तापमान पर किया जा सकता है।
कई अनुप्रयोगों में, सिस्टम का तापमान कम होने पर सुपरकंडक्टर्स के गुणों में सुधार होता है।
सौभाग्य से, अब तक खोजे गए सबसे अच्छे सुपरकंडक्टर्स, जिनमें कप्रेट (या कप्रेट) सुपरकंडक्टर्स नामक सुपरकंडक्टर्स का एक वर्ग भी शामिल है, बहुत उच्च चुंबकीय क्षेत्रों का भी सामना कर सकते हैं, जब तक कि तापमान काफी कम रखा जाता है।
साइट पर
चार साल पहले, फ्लोरिडा के तल्हासी में राष्ट्रीय उच्च चुंबकीय क्षेत्र प्रयोगशाला (एनएचएमएफएल) ने स्थिर (गैर-स्पंदन) चुंबकीय क्षेत्र की ताकत के रिकॉर्ड प्राप्त करने के लिए कॉपर ऑक्साइड का उपयोग किया था।
एनएचएमएफएल के सुपरकंडक्टिंग कॉइल्स 45.5 टेस्ला का चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न कर सकते हैं, लेकिन केवल अगर उन्हें तरल हीलियम में रखा जाता है, जो 4.2 केल्विन से नीचे है।
एनएचएमएफएल की मुख्य वैज्ञानिक भौतिक विज्ञानी लौरा ग्रीन ने कहा, "हम उच्च टीसी सुपरकंडक्टर्स का उपयोग उनके उच्च टीसी मूल्य के कारण नहीं, बल्कि उनके उच्च महत्वपूर्ण चुंबकीय क्षेत्र के कारण करते हैं।"
"यदि आप एक उच्च-क्षेत्र चुंबक चाहते हैं, तो इसे जितना संभव हो उतना कम तापमान पर चलाएं, क्योंकि यहीं आपको सुपरकंडक्टिविटी की वास्तविक शक्ति मिलती है," न्यू जर्सी में एक अन्य अमेरिकी राष्ट्रीय प्रयोगशाला, प्रिंसटन प्लाज्मा भौतिकी प्रयोगशाला (पीपीपीएल) में मैकेनिकल और इलेक्ट्रिकल इंजीनियर युहू झाई ने कहा।
सीईआरएन भविष्य के कण कोलाइडर के लिए विकल्प तलाश रहा है जो अंततः लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर की तुलना में सात गुना अधिक ऊर्जा पर प्रोटॉन को तोड़ सकता है, एक ऐसी श्रृंखला जिसमें भौतिकविदों को नए प्राथमिक कणों की खोज करने की उम्मीद है।
CERN में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर और सुपर सिंक्रोट्रॉन का मानचित्र
इन उच्च ऊर्जाओं तक पहुँचने के लिए, कणों को उच्च क्षेत्रों का उपयोग करके या लंबे त्वरक लूप, या दोनों का उपयोग करके त्वरित किया जाना चाहिए।
ऐसी मशीन बनाने के लिए भौतिक विज्ञानी लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के बगल में 100 किलोमीटर लंबी रिंग सुरंग खोदने का सपना देखते हैं।
लेकिन इतनी बड़ी रिंग टनल के साथ भी, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर जैसा सुपरकंडक्टिंग चुंबक, एक नाइओबियम-टाइटेनियम कॉइल वाला 8-टेस्ला राक्षस, आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन करने में सक्षम नहीं होगा, जो कम से कम 16 से 18 टेस्ला होने का अनुमान है।
बोटुरा ने कहा, "इस बिंदु पर, हमें स्पष्ट रूप से अन्य सामग्रियों की ओर बढ़ना होगा।"
वर्तमान उच्च-टीसी सुपरकंडक्टर्स इसे प्राप्त कर सकते हैं, लेकिन उन्हें तरल हीलियम तापमान पर रखने की आवश्यकता हो सकती है।
चीन द्वारा प्रस्तावित एक समान त्वरक, रिंग इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन कोलाइडर, उच्च-टीसी सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट का भी उपयोग करेगा।
बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ हाई एनर्जी फिजिक्स के निदेशक वांग यिफांग ने कहा कि वे कुछ समय से उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों पर विचार कर रहे हैं, मुख्य रूप से कप्रेट और लौह-आधारित सामग्री।
क्रिटिकल करंट
हालाँकि, कप्रेट सुपरकंडक्टर्स में अन्य कमियां भी हैं: वे भंगुर सिरेमिक सामग्री हैं जिनका उत्पादन करना महंगा है और केबल बनाना मुश्किल है।
इसके अलावा, वांग यिफ़ांग ने यह भी उल्लेख किया कि इस सामग्री की महत्वपूर्ण धारा बहुत कम है। एक अन्य प्रकार के लौह-आधारित सुपरकंडक्टर का सैद्धांतिक रूप से बेहतर प्रदर्शन होता है और इसकी लागत कॉपर ऑक्साइड की तुलना में केवल आधी होती है।
बोटुरा और अन्य लोग एक नए प्रकार के त्वरक की व्यवहार्यता की जांच कर रहे हैं।
प्रोटॉन को म्यूऑन से प्रतिस्थापित करके, कण इलेक्ट्रॉनों के समान लेकिन 207 गुना अधिक बड़े होते हैं, कोलाइडर 100 किलोमीटर लंबे प्रोटॉन-प्रोटॉन कोलाइडर के समान भौतिकी का अध्ययन कर सकता है।
लेकिन अनुसंधान कोलाइडर की अंगूठी बहुत छोटी है और इसे मौजूदा लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर सुरंग में भी रखा जा सकता है, जिससे म्यूऑन को विशेष रूप से उच्च शक्ति वाले चुंबकीय क्षेत्र को शामिल किए बिना चारों ओर चक्कर लगाने की अनुमति मिलती है।
लेकिन समस्या यह है कि सही विशेषताओं के साथ म्यूऑन की किरण उत्पन्न करने के लिए 40 टेस्ला तक के मैग्नेट की आवश्यकता हो सकती है।
इस तीव्रता पर, समस्या अब सुपरकंडक्टर नहीं है, बल्कि कुंडल को अपनी जगह पर कैसे रखा जाए, यह है, क्योंकि विद्युत चुम्बकीय कुंडल के भीतर विद्युत धारा चुम्बकों को अलग धकेलती है।
40 टेस्ला पर, सबसे मजबूत स्टील भी यांत्रिक तनाव का सामना नहीं कर सकता है।
इसके बजाय, चुम्बकों को कार्बन फाइबर जैसी मजबूत सामग्री के उपयोग की आवश्यकता हो सकती है। (एनएचएमएफएल मैग्नेट की ताकत की आवश्यकताएं कम होती हैं क्योंकि उन्हें केवल कुछ सेंटीमीटर चौड़े स्थान में उच्च चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने की आवश्यकता होती है)।
इसलिए सुपरकंडक्टर्स प्रोटॉन और म्यूऑन कोलाइडर में एक बड़ी भूमिका निभाएंगे, लेकिन अन्य इंजीनियरिंग चुनौतियां भी उत्पन्न हो सकती हैं।
एकीकरण यात्रा
हालाँकि, परमाणु संलयन ऊर्जा का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन की गई मशीनों के एक अन्य वर्ग में, संरचनात्मक ताकत एक गंभीर बाधा बन गई है।
एक स्थापित संलयन विधि लंबे समय से प्लाज्मा को सीमित करने, प्लाज्मा को लाखों डिग्री तक गर्म करने और हाइड्रोजन के विभिन्न आइसोटोप को एक साथ कुचलने के लिए डोनट आकार में व्यवस्थित मैग्नेट, जिसे टोकामक के रूप में भी जाना जाता है, का उपयोग करना है।
दुनिया का सबसे बड़ा प्रायोगिक टोकामक, जिसे आईटीईआर कहा जाता है, दक्षिणी फ्रांस में निर्माणाधीन है और मैग्नेट को ठंडा करने और 12 टेस्ला के करीब चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए बड़े तरल हीलियम का उपयोग करेगा।
लेकिन झाई के अनुसार, उद्योग और सार्वजनिक रूप से वित्त पोषित प्रयोगशालाएं उच्च-टीसी सुपरकंडक्टर्स के आधार पर टोकामक मैग्नेट डिजाइन करने के लिए कड़ी मेहनत कर रही हैं।
कई कारण हैं. उच्च चुंबकीय क्षेत्र संलयन रिएक्टर द्वारा ईंधन जलाने की दर को काफी हद तक बढ़ा सकते हैं, जिससे सैद्धांतिक रूप से उत्पादित ऊर्जा में वृद्धि हो सकती है, लेकिन संलयन से ऊर्जा निकालने के कई महत्वपूर्ण चरण अभी तक सिद्ध नहीं हुए हैं।
उच्च-टीसी चुंबकीय सामग्रियों का उत्पादन बढ़ाने के उद्योग के प्रयासों का एक सकारात्मक परिणाम उन्हें कम महंगा बनाना है, लेकिन वे अभी भी नाइओबियम-टाइटेनियम सामग्रियों की तुलना में बहुत अधिक महंगे हैं।
इसके अलावा, झाई ने यह भी कहा कि टोकामक को अंततः तरल हीलियम शीतलन को छोड़ देना चाहिए। एक ओर, ऐसा इसलिए है क्योंकि शीतलन प्रणाली जटिल है और इसे बनाना कठिन है, और दूसरी ओर, चूंकि हीलियम एक दुर्लभ संसाधन है, इसलिए तरल हीलियम का उपयोग करके सैकड़ों आईटीईआर आकार के रिएक्टर बनाना मुश्किल है।
ग्रीन का मानना है कि बेहतर सुपरकंडक्टिंग सामग्री ढूंढना एक उच्च जोखिम वाला कार्य है, और अब तक कुछ सफलता की कहानियां सामने आई हैं।
फिर भी, वह कहती है, "यह कठिन काम है, लेकिन यह रोमांचक, दुनिया बदलने वाला काम भी है।"
सन्दर्भ:
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02681-8