Maailman ensimmäinen suprajuna aloitti liikenteen 2002 Shanghaissa Kiinassa. Kuva: Wikimedia Commons
Maailman ensimmäinen suprajuna aloitti liikenteen 2002 Shanghaissa Kiinassa. Kuva: Wikimedia Commons

Suprajohteista on opittu rakentamaan tehokkaita kaapeleita, moottoreita ja magneetteja, jotka säästävät luontoa. Haaveet huoneenlämmössä toimivista suprajohteista on pitänyt panna jäihin, mutta tämän vuosituhannen supralöytö magnesiumdiboridi lupaa paljon.

Suprajohteet ovat aineita, joiden sähkövastus katoaa kokonaan tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella. Niille ei ole vaikea kuvitella käyttöä. Ne voisivat mullistaa muun muassa sähkön tuotannon sekä sen siirron ja varastoinnin kokonaan. Saattavat ne johtaa puhtaan fuusiovoiman valjastamiseenkin.

Valitettavasti kriittinen lämpötila on käytännössä parhaimmillaankin 200 pakkasasteen paikkeilla. Suprajohdesovellukset kompastuvat usein siihen, että ne vaativat kalliin jäähdytysjärjestelmän.

Kun kirjoitin suprajohteista edellisen kerran lähes tasan kymmenen vuotta sitten, uskaliaimmat arvelivat, että kriittistä lämpötilaa voitaisiin nostaa silloisesta ennätyksestä, joka oli -109 celsiusastetta, jopa huoneen lämpöön.

Ilman uusia ennätyksiä suprajohteita sisältävien laitteiden ei uskottu leviävän tutkimuslaitoksista maailmalle.

Toisin kävi: ennätyshaaveet eivät toteutuneet. Silti suprajohdelaitteet ovat parhaillaan tulossa yleiseen käyttöön aivan kuten viime vuosikymmenellä optimistisesti odotettiin.

Millaisia sovellukset ovat? Näistä ja taustoista kertoo akatemiatutkija Petriina Paturi, jonka kanssa istun kahvilla Turun yliopiston Wihurin fysiikantutkimuslaboratorion seminaarihuoneessa.

Kaikki alkoi elohopeasta

Hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes keksi suprajohtavuuden vuonna 1911, kun hän jäähdytti elohopeaa nestemäisellä heliumilla. Elohopean sähkövastus hävisi kokonaan -269 asteessa.

Noin 40 vuotta myöhemmin yhdysvaltalaiset John Bardeen, Leon Cooper ja Robert Schrieffer keksivät selityksen vastuksen kaikkoamiseen.

Tavallisessa sähköjohteessa, esimerkiksi kuparilangassa, elektronit törmäilevät johdinaineen atomeihin – juuri tästä aiheutuu vastus. Suprajohteissa kolareita ei tapahdu, sillä niiden elektronit muodostavat pariskuntia, jotka kulkevat sulassa sovussa atomien lomassa.

Selitystä nimitetään esittäjiensä mukaan BCS-teoriaksi. Kolmikko palkittiin sen ansiosta fysiikan nobelilla 1972. Suprajohtavuudesta on herunut monta muutakin Nobelin palkintoa, viimeksi vuonna 2003.

– Kerronkin usein uusille opiskelijoille, että tilastoista päätellen Nobelin palkinnon saa, jos täyttää kolme ehtoa. Ensiksi pitää syntyä mieheksi, toiseksi pitää tutkia suprajohtavuutta, ja kolmanneksi on sinniteltävä yli 90-vuotiaaksi, nauraa Petriina Paturi.

Oksidit nostattivat buumin

Tunnetut suprajohteet olivat pitkään metalleja tai niiden seoksia, joiden kriittinen lämpötila oli matalampi kuin -250 astetta. IBM:n tutkijat Alex Müller ja Georg Bednorz huomasivat 1986, että keraamiset metallioksidit tulevat suprajohtaviksi metalleja lämpimämmässä, jo -238 asteessa. Näitä aineita nimitetään korkean lämpötilan suprajohteiksi. 

Todellinen suprakuume puhkesi seuraavana vuonna, kun kaksikko palkittiin löydöstään nobelilla – aivan poikkeuksellisen pian (ja Bednorz aivan poikkeuksellisen nuorena, vain 37-vuotiaana). 

Pian löytyi korkean lämpötilan suprajohteita, joiden kriittinen lämpötila oli alle -196 astetta.

Näiden ja matalan lämpötilan suprajohteiden välinen ero on insinöörin näkökulmasta merkittävä, sillä 196 asteen pakkaseen päästään käyttämällä jäähdytykseen nestemäistä typpeä. Sen valmistaminen maksaa vain kymmenesosan siitä kuin nestemäisen heliumin. 

Soveltajien into yltyi, kun seuraavina vuosina löydettiin yhä korkeamman lämpötilan suprajohteita. 1993 tunnettiin jo elohopeayhdisteitä (HgBa2Ca2Cu3O8-x), joiden kriittinen lämpötila on vain -109 astetta. 

Sitten lämpötila jämähti 

Utelen Paturilta jännittyneenä nykyistä lämpötilaennätystä.  – Se on aina vain sama. 

– Jos tietäisimme, mihin korkean lämpötilan suprajohtavuus perustuu, pystyisimme ehkä ennustamaan, millaiset yhdisteet voisivat rikkoa lämpöennätyksiä, Paturi jossittelee.

Fyysikot ovat työskennelleet tuloksetta jo 20 vuotta löytääkseen korkean lämpötilan suprajohtavuuden syyn. Ongelmana on se, että BCS-teorian mukaan elektroniparit hajoavat, kun lämpötila nousee tarpeeksi.

– Toki on teorioita siitä, miten parit kuumemmassa syntyvät ja pysyvät koossa, mutta yhtäkään niistä ei ole todennettu kokein.

– 1980-luvun lopulla ja 1990-luvulla tosiaan ajateltiin, että korkean lämpötilan suprajohteet tulisivat käyttöön pian. Toisaalta on hyvä muistaa, että 1940-luvulla keksitty transistorikin tuli toden teolla arkeemme vasta kolmisenkymmentä vuotta myöhemmin. Korkean lämpötilan suprajohteilla on vielä aikaa kiriä.

Nauhaksi on taivuttava

Paikalleen jämähtänyt kriittinen lämpötila ei kuitenkaan estänyt suprajohdesovellusten esiinmarssia.

Lähes kaikkien sovellusten perustana on nimittäin nauha, joka on litteää tai lankamaista. Hopeakuorinen korkean lämpötilan nauha on paksuudeltaan noin 3 ja leveydeltään 0,2 millimetirä. Matalan lämpötilan nauha taas näyttää ihan tavalliselta kuparilangalta. Näistä sitten valmistetaan kaapelia tai kieputetaan magneetteja.

– Nauhaa on paljon helpompi valmistaa perinnäisistä metallisista suprajohteista kuin korkean lämpötilan keraamisista oksideista, sillä jälkimmäistä tehdessä yksittäiset kideakselit on sovitettava yhteen just eikä melkein. Siksi matalan lämpötilan aineista saa tuotteita paljon helpommin kuin korkean, Paturi selittää.

Mikä siis jäähdytyksessä hävitään, se työstössä voitetaan. Tai päinvastoin. Keraamiset korkean lämpötilan suprajohteet ovat myös hauraita ja murtuvat helposti. Ennätystä hallussaan pitävä elohopeayhdiste – siis se, jonka kriittinen lämpötila on -109  on jopa myrkyllinen.

– Siitä on vaarallista valmistaa mitään, eikä sitä kukaan käytäkään, Paturi toteaa.

Löytyi, mitä kaivattiin

Vuonna 2001 fyysikot iskivät kultasuoneen. Silloin japanilainen tutkija Jun Akimitsu huomasi, että magnesiumin ja boorin yhdiste, magnesiumdiboridi, on suprajohtava jo -233 asteessa.

– Magnesiumdiboridista saa nauhaa ilman kiteiden suuntaamista, Paturi kertoo. – Se ei ole metalli mutta käyttäytyy tässä suhteessa kuin metalliset matalien lämpötilojen suprajohteet.

Siis juuri sitä, mitä insinöörit tilasivat. Metallimaisena magnesiumdiboridi on helposti työstettävissä, ja vaikka eroa sen ja 250 pakkasasteessa suprautuvan niobium-germaniumin välillä on vain 17 astetta, se on käytännössä paljon, sillä magnesiumdiboridin jäähdyttämiseen riittää kalliin heliumin sijaan nestemäinen vety.

Itse asiassa magnesiumdiboridi oli maannut joidenkin laboratorioiden varastoissa jo pitkään, sillä sitä oli tutkittu 1950-luvulla. Silloin sen erikoinen luonne ei paljastunut.

Magnesiumdiboridi sopii erityisen hyvin pitkiin kaapeleihin, sillä siitä saa johtoa halvemmalla kuin muista korkean lämpötilan suprajohteista. Sen kuoreksi riittää näet hopean sijaan rauta. Kuorta tarvitaan virhetilanteissa, esimerkiksi silloin, kun johde äkkiä siirtyy supratilasta normaalitilaan. Se pysyy ehjänä, kun kuori ohjaa virran ja lämmön toisaalle.

Visiona vety + sähkö

– Yhdysvaltalaistutkija Paul Grant selittää kaikissa mahdollisissa kokouksissa, kuinka hyvä idea olisi kaapeli, jonka sisässä kulkisi magnesiumdiboridijohto. Sitä ympäröisi jäähdyttävä vety, Paturi selittää.

Kaapelissa olisi itse asiassa kaksi suprajohtoa. Toisen jännite olisi +50 000 volttia ja toisen -50 000. Molemmissa kulkisi 50 000 ampeerin tasavirta. Mikään perinnäinen johto ei kestäisi mokomaa virtaa. Kaapeli kuljettaisi viisi gigawattia energiaa.

Kaapelista rakennettaisiin jättimäinen energianjakeluverkosto, joka siirtäisi seuraavan sukupolven voimaloissa tuotettua sähköä lähes hävikittä pitkätkin matkat. Tätä nykyä noin kymmenen prosenttia energiasta katoaa siirrossa.

Mutta ei siinä kaikki. Jäähdytysvety voitaisiin tuottaa samassa voimalassa kuin sähkö ja ottaa käyttöön kaapelin kuluttajapäässä eli tuotantolaitoksissa ja huoltoasemilla, tulevaisuudessa ehkä kodeissakin. Vetytalouden pyörittäminen tekee tästä visiosta hyvin vihreän, mutta jo suprajohdekaapelin häviöttömyys mahdollistaa uusia energiaratkaisuja.

– Periaatteessa täältä voitaisiin vetää kaapeli Saharaan. Näin Suomikin voisi saada aurinkoenergiaa ympäri vuoden, Paturi innostuu.

Grant ja hänen tutkijatoverinsa Chauncey Starr ja Thomas Overbye, jotka kirjoittavat ideasta Scientific Americanissa, vakuuttavat, että uudenlainen kaapeliverkosto ei edellytä yhtään uutta teknistä läpimurtoa.

Suprakaapelit halpenevat 

– Ensimmäinen suprajohdekaapelin pätkä kytkettiin sähköverkkoon 2001 Tanskassa, Petriina Paturi muistelee.

– Nykyään niitä on useita, ja 2001-versio on jo museossa. Se oli kaksi vuotta käytössä ilman ongelmia, ja sitten se purettiin, koska tutkijat halusivat nähdä, oliko johdoissa kulumia. Ei ollut.

Mikseivät sähköjohdot sitten jo ole suprajohtavia?

– Suurin syy on kalleus, Paturi vastaa empimättä. Se jäähdytys, se jäähdytys.

Mutta hinta laskee.

– Tuossa koekaapelissa oli kolmivaihevirtaa varten kolme erillistä johtoa, joista jokaiselle oli oma jäähdytys. Nyt tehdään kaapeleita, joissa kaikki kolme vaihetta ovat samassa jäähdytyksessä. Ne ovat satoja metrejä pitkiä ja taipuisia.

Paturi muistuttaa, että suprajohtojen suurin etu ei välttämättä ole hävikin pieneneminen vaan se, että samaan tilaan saadaan enemmän tehoa. 

– Esimerkiksi Yhdysvaltain sähkökaapelit ovat jatkuvasti yli 90 prosentin kuormituksella. Siksi verkosto on erittäin altis sähkökatkoksille. Suprajohteilla saataisiin samaan tilaan enemmän tehoa. New Yorkiakaan ei tarvitsisi kaivaa auki, sillä tehokkaat suprajohteet jäähdytysnesteineen mahtuisivat samoihin maanalaisiin putkiin kuin nykyiset johdot.

Johteet käämitään laitteiksi

– Sähköjohto on siinä mielessä näppärä sovellus, että siitä voi tehdä ihan mitä vain. Kaapeleiden lisäksi myös moottoreita, generaattoreita ja magneetteja, Paturi luettelee.

Suprajohdegeneraattori on kooltaan vain kolmannes samantehoisesta generaattorista, joka on käämitty tavallisesta sähköjohdosta. Pieni ja kevyt sopii esimerkiksi tuulivoimalaan. Perinnäisissä voimaloissa supralaitteet lisäisivät energiatehokkuutta ja pienentäisivät näin kasvihuonekaasujen päästöjä. 

– Suprajohteilla voi todella olla suuri merkitys ympäristölle. Pidän niiden tutkimusta jopa ekotekona. Minua motivoi se, että työn hyöty on niin helposti nähtävissä. Ja planeetan pelastamisen kirjaamme luonnollisesti myös rahahakemuksiin, Paturi nauraa. 

Generaattorit perustuvat itse asiassa magneetteihin. Suprajohtavia magneetteja, jotka pitävät virtansa, on valmistettu jo 1960-luvulta asti. Niitä on sairaaloiden magneettikuvauslaitteissa sekä hiukkaskiihdyttimissä ja muissa tutkimuslaitosten kojeissa. Tulevaisuuden fuusiovoimaloissa suprajohtavilla magneeteilla pidetään kurissa ultrakuumaa kaasua.

– Meidän laboratoriossa supramagneetteja on ainakin viisi jatkuvassa käytössä, Paturi sanoo. – Laite sinänsä on halpa, mutta heliumjäähdytys tekee ylläpidosta kalliin.

Junaan pitää päästä

Näyttävimpiä suprajohdesovelluksia ovat levitoivat junat, jollaisia on maailmassa kaksi. 

– Levitoiva juna voidaan kuitenkin toteuttaa millä tahansa magneeteilla. Esimerkiksi Saksan leijujuna käyttää jostain syystä tavallisia sähkömagneetteja, mutta suprajohtava magneetti on siitä hyvä, että siihen ei tarvitse lisätä virtaa, Paturi muistuttaa.

Yllätyn. Olen aina kuvitellut levitoinnissa hyödynnettävän suprajohtavuuteen kuuluvaa Meissnerin ilmiötä: koska magneettikenttä ei työnny suprajohteen sisään, suprajohde voi leijua magneettikentän päällä.

– Junanrata on johtava. Kun juna kulkee tarpeeksi lujaa, rataan indusoituu sähkövirta, joka synnyttää poistovoiman, Paturi valaisee sähköopin perusilmiötä. Japanilainen koejuna liikkuu 100 kilometrin tuntivauhtia, ennen kuin se nousee ilmaan. Lopulta se kiitää 550 kilometriä tunnissa, lähes yhtä lujaa kuin lentokone, eikä tuota kasvihuonekaasuja.

Shanghain leijujuna liikennöi säännöllisesti lentokentältä kaupunkiin.

– Vuonna 2009 Shanghaissa näkyy auringonpimennys, jonka mieheni ja poikani haluaisivat nähdä. Minä en niin siitä pimennyksestä välitä, mutta levitoivaan junaan pitäisi päästä, Paturi toteaa.

Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 5/2007

Supernopeaa elektroniikkaa

Makrosovellusten lisäksi suprajohtavuutta hyödynnetään elektroniikassa.

Esimerkiksi matkapuhelimien tukiasemissa on jo suprajohde-elektroniikalla toimiva suodatin. Se on tavallista suodatinta herkempi ja kasvattaa tukiaseman peittoa, jolloin samalla määrällä mastoja voidaan kattaa suurempi ala. Suodattimen herkkyys myös säästää kännykän akkua, sillä puhelin tarvitsee vähemmän virtaa kommunikoidessaan tukiaseman kanssa.

Herkillä suprajohtavilla antureilla eli squideillä (superconducting quantum interference device) pystytään puolestaan mittaamaan hyvin heikkoja magneettikenttiä. Ne soveltuvat niin mineraalien etsintään kuin aivotutkimukseen. Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratoriossa tutkittiin 1980-luvulla squidejä, ja tästä juonnuttiin kehittämään uudenlainen aivokuvausmenetelmä, magnetoenkefalografia.

Suprajohteista saa myös hillittömän nopeaa elektroniikkaa (rapid single flux quantum logic), joka ei tuota lämpöä. Nykyinen puolijohteisiin perustuva elektroniikkahan kärsii jatkuvasta lämpöhalvauksesta. Suprajohdesilmukoista on kaavailtu tehtävän paitsi supertietokoneita myös tulevaisuuden kvanttitietokoneita.

Jos rehkiminen ei huvita, syy voi olla geeneissä.

Monia liikunta palkitsee hyvän olon tunteella, mutta kaikille palkintoa ei tule, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan. Olo saattaa olla hikilenkin jälkeen enemmän runneltu kuin rento.

”Osa suomalaisten liikkumattomuudesta saattaa selittyä negatiivisilla tuntemuksilla”, sanoo jutussa liikuntapsykologian professori Taru Lintunen Jyväskylän yliopistosta.

Ihmiseltä saattavat puuttua hyvät kokemukset ja liikunnallisen elämäntavan mallit.

Perimälläkin on sormensa pelissä. Naisilla jopa puolet liikuntanautinnon vaihtelusta selittyy geeneillä, miehillä kolmannes.

Näin osoittaa vuonna 2014 julkaistu suomalainen tutkimus, joka perkasi perintötekijöiden osuutta liikuntamotivaatioon.

Tarkkaa syytä eroihin ei tiedetä. Yksi ehdokkaista on aivojen dopamiinirata. Se palkitsee niin syömisestä, seksistä kuin liikunnasta.

Dopamiinikylpy tuottaa aivoissa huumaavan euforian. Tutkimusten mukaan järjestelmän häiriöt vähentävät koe-eläinten liikkumishaluja.

Viime kädessä geenit ohjaavat mielihyväkoneiston toimintaa. Dopamiinin valmistukseen tarvittavat geenit toimivat toisilla kenties vilkkaammin. Erityisesti naisilla on liikuntamielihyvän kokemisessa geneettistä vaihtelua.

Yksilöiden erot ulottuvat laajemmallekin. Kaikki eivät saa liikunnasta yhtä paljon hyötyä – ainakaan heti.

Sama harjoittelu saattaa vaikuttaa ihmisiin eri tavoin. Yhden kunto kasvaa kohisten, mutta toinen ei saa tuloksia, vaikka kuinka rehkisi. Tutkijat puhuvat yksilöllisestä vasteesta.

Kuitenkin vaikka oma elimistö tuntuisi olevan immuuni liikunnalle, se voi olla vain harhaa. Tutkimuksissa tuijotetaan usein suorituskykyyn ja lihasvoimaan. Ne eivät ehkä hetkahda pienestä rasituksesta, mutta veren rasva- ja sokeriarvot saattavat parantua merkittävästi. Siksi liikuntaa voi suositella kaikille.

Kysely

Onko liikunta tuskien tie?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.