SUPER BREAKTHROUGH IN THE TECHNOLOGY SPACE: BORON BASED SUPERCONDUCTORS ÖZET: Süperiletkenkenler elektriksel direnç göstermeyen malzemelerdir. Elektrik akımını herhangi bir enerji kaybı olmadan taşırlar. Elektriksel direncin var olmaması olarak tanımlanan bu fenomen, 1911 yılında Hollandalı fizikçi H.K. Onnes tarafından cıva üzerinde çalışırken beklenmedik bir şekilde gözlenmiştir. Süperiletkenliğin keşfinden itibaren hem süperiletkenlik hem de süperiletkenler tüm dünyadan bilim insanlarının yoğun biçimde ilgisini çekmiştir. Ancak, günümüzde bu fenomen hala gizemini korumaktadır ve nasıl ortaya çıktığına dair teorik bir açıklama için birçok bilim insanı çalışmaktadır. Süperiletkenlik ne yazık ki çok düşük sıcaklıklarda ortaya çıkmaktadır ve bu sıcaklık dünyamızdaki kaydedilmiş en düşük sıcaklıktan da, kuru buzun oluşmaya başladığı sıcaklıktan da çok daha düşük bir değerdedir. Bu nedenle, birçok kimyacı ve malzeme bilimci daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik özelliği gösteren yeni maddeler bulmaya çalışmaktadır. ANAHTAR KELİMELER: Süperiletkenlik, direnç, akım, Ali Gencer ABSTRACT: Superconductors are the conductors with practically no electric resistivity. They can carry electric current without any energy loss. Superconductivity, which is the phenomenon of showing no electric resistivity, was discovered accidentally in mercury by Professor Heike Kamerlingh Onnes in the Netherlands in 1911. He had not expected that it happened! From the discovery of superconductivity, superconductivity and superconductors have been attracting broad interests by scientists and technologists in the world. Phenomena of superconductivity itself is mysterious, and, how it happens is still under discussions though many physicists have been challenging to explain superconductivity theoretically. Because superconductivity unfortunately appears at very low temperature, much colder than the record-low temperature in the world or the temperature of dry ice, many chemists and material scientists have been challenging to discover new superconductors which become superconducting state at higher temperature. KEYWORDS: Superconductors, impedance, current, Ali Gencer Göller Bölgesi Aylık Hakemli Ekonomi ve Kültür Dergisi Ayrıntı/ 51
Süperiletkenkenler elektriksel direnç göstermeyen malzemelerdir. Elektrik akımını herhangi bir enerji kaybı olmadan taşırlar. Elektriksel direncin var olmaması olarak tanımlanan bu fenomen, 1911 yılında Hollandalı fizikçi H.K. Onnes tarafından cıva üzerinde çalışırken beklenmedik bir şekilde gözlenmiştir. Süperiletkenliğin keşfinden itibaren hem süperiletkenlik hem de süperiletkenler tüm dünyadan bilim insanlarının yoğun biçimde ilgisini çekmiştir. Ancak, günümüzde bu fenomen hala gizemini korumaktadır ve nasıl ortaya çıktığına dair teorik bir açıklama için birçok bilim insanı çalışmaktadır. Süperiletkenlik ne yazık ki çok düşük sıcaklıklarda ortaya çıkmaktadır ve bu sıcaklık dünyamızdaki kaydedilmiş en düşük sıcaklıktan da, kuru buzun oluşmaya başladığı sıcaklıktan da çok daha düşük bir değerdedir. Bu nedenle, birçok kimyacı ve malzeme bilimci daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik özelliği gösteren yeni maddeler bulmaya çalışmaktadır. Süperiletkenliğin ortaya çıkacağı bir üst sıcaklık limitinin olup olmadığı bugüne kadar ispatlanamadığından oda sıcaklığında çalışan bir süperiletken bilim insanlarının rüyasıdır. Eğer böyle bir keşif ileride gerçekleşirse şüphesiz elektrikle çalışan tüm teknolojiyi tamamen değiştirecektir. Mevcut süperiletkenleri çalıştırabilmek için çok düşük sıcaklıklara inmek gerekse de, elektrik akımını herhangi bir kayıp olmadan iletebildikleri için teknolojik olarak çok önemlidirler. Bakır gibi geleneksel iletkenlerde akım kaybı ve dolayısıyla ortaya çıkan ısı enerjisi elektrik kullanan makinelerin performansını sınırlandırmaktadır. Süperiletkenliğe dayalı elektromıknatıslar bakır elektromıknatıslardan çok daha yüksek manyetik alanlar oluşturabilmektedir. Süperiletkenler sadece geleneksel elektriksel makinelerin performansını arttırmakla kalmaz yeni teknolojik aletlerin keşfini de olanaklı kılar. Süperiletkenlerin diğer önemli bir özelliği ise normal malzemelerde atom ölçeğinde gözlenebilen kuantum etkilerin, makro ölçekte gözlenebilmesidir. Yani, atomik ölçekte kullanılan kuantum fiziği denklemleri cm hatta metreler mertebesindeki süperiletken malzemelerde geçerlidir. Bu özellik kullanılarak çok hassas manyetik alan sensörleri yapılabilmekte, kalp sinyallerinin incelenmesinden beyin dalgalarının incelenmesine kadar, tahribatsız muayene sistemlerinden plastik patlayıcı dedektörü sistemlerine kadar uygulama alanı bulabilmektedir. Bu aygıtların temel devre elemanı olarak değerlendirilen ve süperiletken malzemeler arasındaki kuantum etkileşime dayanan Josephson eklemi 1962 yılında B. Josephson tarafından keşfedilmiştir. Daha sonra bu keşif kendisine 1973 yılında Nobel fizik ödülünü kazandırmıştır. Süperiletkenlerin en popüler uygulaması hastanelerde kullanılan MRI cihazlarıdır. MRI, süperiletkenler tarafından oluşturulan yüksek Göller Bölgesi Aylık Hakemli Ekonomi ve Kültür Dergisi Ayrıntı/ 52
manyetik alanı kullanarak insan vücudunun istenilen kesit alanlarının incelenmesini sağlar. Tokyo ve Osaka arasında shinkansenleri (yüksek hızlı tren) işleten Japan Demiryolları Şirketi bugünlerde güçlü süperiletken mıknatısları kullanarak trenleri yerden havalandıran yeni bir tren hattı inşasını gerçekleştirmektedir. Süperilekten mıknatısları kullanan bu yeni trenler 500 km/h hıza ulaşacak ve 2027 yılında Tokyo-Nagoya arasını birbirine 40 dakikada bağlayacaktır. Tüm dünyada süperiletkenliğe ve uygulamalarına dair yeni teknoloji arayışları yoğun biçimde sürmektedir. Gelecekte Sahra çölündeki güneş panellerinden elde edilen enerji süperiletken denizaltı iletim hatları aracılığıyla Avrupa ya iletilecek ve bu transfer esnasında hiç enerji kaybı olmayacaktır. İki atomun füzyon reaksiyonuyla enerji üreten ve erime kazaları geçirme ihtimali olmayan füzyon reaktörleri ancak süperiletkenler kullanılarak hayata geçirilebilirler. Çünkü bu reaktörlerin etkin bir füzyon reaksiyonu gerçekleştirebilmeleri için çok yüksek manyetik alanlara ihtiyaç vardır. Süperiletkenliği kullanan elektromıknatıslar kanser tedavisinde kullanılan parçacık hızlandırıcıların boyutlarını küçültmede ve çalışmak için ihtiyaç duydukları enerjiyi azaltmada da kullanılabilir. Kanser tedavisi uygulamalarında çok daha yaygın çözümler geliştirmeye yardımcı olarak birçok hastanın cerrahi müdahaleye gerek kalmadan tedavisini olanaklı kılar. Süperiletken ışınım dedektörleri, bolometreler, malzeme üzerine düşen ışınımların soğurulması ile açığa çıkan çok düşük sıcaklık değişimlerini algılaması prensibine dayanır. Bolometrenin performansı hedeflenen dalga boyuna uygun bir soğurucu tabaka ya da anten tasarımı ile artırılabilir. Hâlihazırda süperiletken bolometreler savunma sanayinden uzay araştırmalarına kadar farklı alanlarda uygulama alanı bulmuşlardır. Süperiletken entegre devreler, (Rapid Single Flux Quantum - RSFQ), süperiletkenlerin kuantum etkileri kullanılarak sinyallerin anahtarlanmasına dayanan bir teknolojidir. Temel devre elemanı Josephson Eklemleridir. Yarıiletken devre teknolojilerine göre en büyük avantajları, yarıiletkenlerden yaklaşık 100 kat daha hızlı anahtarlama yapabilmeleri ve yaklaşık 1000 kat Göller Bölgesi Aylık Hakemli Ekonomi ve Kültür Dergisi Ayrıntı/ 53
daha düşük güç tüketimlerine sahip olmalarıdır. Günümüzde yarıiletken malzemelere dayanan mikroişlemci teknolojilerinin limitlerine yaklaşılması, RSFQ tabanlı entegre devreleri en önemli alternatif teknolojilerden birisi yapmaktadır. Japonya da iklim değişiklileri, yer kabuğu hareketleri gibi simülasyonların yapıldığı Deniz ve Yer Kabuğu Bilim ve Teknoloji Merkezi (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology), Amerika daki çok yüksek sayıda istihbaratın analiz edildiği Ulusal Güvenlik Teşkilatı (National Security Agency) gibi kurumların ihtiyacını karşılamak için çok yüksek kapasitede ve kabul edilebilir seviyede güç tüketimi ile veri işleyen sistemlerin geliştirilmesi hedeflenmektedir. Mevcut yarıiletken tabanlı süperbilgisayarlar 5-10 MW mertebelerinde güç harcamaktadır. Bu güç miktarı, 5000 10000 hanenin tüketimine denktir. Benzer işlem kapasitesine denk bir süperiletken tabanlı süperbilgisayar yapılabilirse, soğutma dahil tahmini güç tüketimi mevcut durumdan en az 100 kat daha az olacaktır. Süperiletken entegre devrelerin düşük güç tüketimleri, onları aynı zamanda soğutmalı dedektör okuma devreleri için de uygun bir aday yapmaktadır. Böylelikle, karmaşık okuma devreleri soğuk dedektörlerin hemen yanına yerleştirilebilecek, çoklama işlemi hemen detektörden sonra yapılabilecektir. THz Dalga Kaynakları, elektromanyetik spektrum radyo frekanslarından Gamma ışınlarına kadar geniş bir frekans aralığını kapsar. Ağırlıklı olarak iletişim teknolojilerinde kullanılan KHz ler mertebesinden GHz mertebelerine kadar olan frekanslar çeşitli elektronik aygıtlarla üretilebilmektedir. Benzer şekilde optik frekanslar olan kızıl ötesi, görünür ışık ve mor ötesi frekanslar da çeşitli optik aygıtlar tarafından üretilebilmektedir. Fakat, bu iki frekansın arasında kalan THz spektrumu gerek elektronik aygıtlar gerekse optik aygıtlar tarafından verimli olarak üretilememektedir. Josephson Eklemlerinin karakteristik özelliklerinden olan ve B. Josepshon a Nobel fizik ödülünü kazandıran AC Josephson etkisi ile süperiletken aygıtlardan THz dalgaları üretmek mümkündür. THz dalgalar halen X ışınları ile yapılan tıbbi ve güvenlik amaçlı görüntülemeleri ikame edebilecek seviyede çözünürlük ve hassaslık sunmaları mümkün olacaktır. Böylelikle vücuda zararlı X ışınlarını kullanmak yerine daha güvenli THz dalgaları kullanılması sağlanacaktır. Kuantum Bilgisayarlar, bilindiği gibi insanoğlu ilk mekanik bilgisayar olarak kabul edilen Pascaline nin, B. Pascal tarafından 17. yüzyılda keşfinden itibaren sürekli artan bir işlem gücüne ihtiyaç duymaktadır. Özellikle konvansiyonel sistemlerle çözülemeyecek kadar karmaşık bilimsel problemlerin ve kripto kodlarının çözümünde kullanılmak üzere tasarlanan kuantum bilgisayarlar, makro ölçekte kuantum fiziği prensiplerini uygulayarak çok daha hızlı çözümler sunabilmektedir. Ülkemizde süperiletkenlik alanında ilk bilimsel yayın 1991 yılında yapılmış olup, Dünya ile karşılaştırıldığında yeni sayılabilecek bir geçmişe sahiptir. Özellikle son yıllarda ülkemizdeki süperiletkenlik aktiviteleri ivme kazanmış, Kalkınma Bakanlığı desteği ile, Ulusal Süperiletkenlik Araştırma ve Uygulama Merkezi nin kurulumu tamamlanmıştır. TOBB Ekonomi ve Teknoloji Süperiletken Elektroniği Laboratuvarı nda Süperiletken entegre devreler, manyetik alan sensörleri, ışınım dedektörleri, Ege Üniversitesi ve İzmir Yüksek Teknoloji Göller Bölgesi Aylık Hakemli Ekonomi ve Kültür Dergisi Ayrıntı/ 54
Enstitüsünde, manyetik alan sensörleri ve THz kaynaklar, Ankara ve Turgut Özal Üniversitelerinde Kuantum Hesaplama, Bolu Abant İzzet Baysal ve Malatya İnönü Üniversitelerinde ise ışınım dedektörleri ve Josephson eklemleri üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Ülkemizdeki süperiletkenlik araştırmaları, uygulamalarda kullanılacak birikime ulaşmış olup, özel sektörün de katkıları ile katma değeri yüksek ürün hedefli çalışmaların yapılmaya başlanması önem arz etmektedir. Türkiye nin çeşitli teknoloji alanları arasından özellikle süperiletken teknolojiyi geliştirmeye destek vermesi için birçok geçerli neden vardır. İlk olarak Türkiye zengin bor kaynaklarına sahiptir. Bor ise önemli bir süperiletken malzeme olan MgB2 nin temel bileşenidir. İkinci olarak ise süperiletken teknolojinin elektrik şebekelerine uygulanması konusunda Türkiye gelişmiş batı ülkelerinden daha yüksek şansa sahiptir. Bu ülkelerdeki şebekeler belirli bir olgunluğa ulaşmışlardır ve ekonomik büyümedeki yavaşlıktan ötürü yeni şebekelerin geliştirilmesi pek olası görünmemektedir. Türkiye de yeni şebeklerin oluşturulmasında yenilikçi teknolojiler olan süperiletken akım sınırlandırıcılar ve süperiletken güç aktarım kabloları kullanılabilir. Üçüncü olarak ise süperiletken teknoloji, nükleer füzyona yönelik ITER projesi için yaşamsaldır. Türkiye nin de ITER projesine katkı yapmayı istediği göz önüne alınırsa süperiletkenliğe yönelik bilim ve teknoloji çalışmaları faydalı olabilir. Son olarak, yüksek sıcaklık süperiletkelerin pratik olarak daha yaygın kullanılmasıyla MRI cihazları az gelişmiş kırsal bölgelerde de yaygınlaşabilir. Bu sadece Türkiye için değil diğer Ortadoğu ülkeleri ve Afrika ülkeleri için de geçerlidir. Süperiletken teknolojisi bu bölgelerde yaşayan insanların hayat standartlarını yükseltecektir. UYGULAMALI SÜPERİLETKENLİKTE BÜYÜK ÖLÇEKLİ PROJELER ITER: ULUSLARARASI DENEYSEL TERMONÜKLEER REAKTÖR ITER; füzyon enerjisinin dünya üzerinde ticari amaçlarla kullanımının uygulanabilirliğine yönelik bir araştırma ve geliştirme projesidir. Güneş ve diğer yıldızların enerji üretim yöntemi olan füzyon insanoğluna sadece sınırsız enerji konusunda değil aynı zamanda günümüzde kullanılan ve çevreyi kirleten fosil veya fisyon enerjilerinden farklı olarak karbon salmayan, çevre dostu enerji için büyük umutlar vadetmektedir. ITER Tokamak; uygulamalı süperiletkenlikteki en büyük projedir ve enerji üretimi amacıyla kullanılan ilk füzyon makinesi olacaktır. Dünya nüfusunun yaklaşık olarak yarısını temsil eden Avrupa Birliği, ABD, Rusya, Çin, Japonya, Hindistan ve Güney Kore tarafından yürütülmektedir. ITER in temelinde düşük sıcaklık süperiletkenler bulunmaktadır. Bu süperiletkenler yanan plazmayı sınırlandırmak amacıyla üretilecek bir dizi güçlü mıknatısın üretiminde kullanılacaktır. Kırılgan Nb3Se iletkeni ilk defa büyük ölçekli uygulamalı bir süperiletkenlik projesinde kullanılacaktır ve ITER in bu malzemeden 600 tona ihtiyacı olacağı tahmin edilmektedir. Bu rakam dünyadaki mevcut üretim kapasitesinin çok üstündedir ve bu endüstride ciddi bir sıçrama yaşanmasını gerektirmektedir. Örneğin bugüne kadar bu malzemenin üretiminin bilinmediği Çin ve Güney Kore de ITER projesi öncesinde endüstriyel ölçekte gerekli know-how çalışmaları yapılmış ve fabrikasyon için tesisler kurulmuştur. Bu da büyük ölçekli projelerin katılımcı ülkeleri son teknolojiye sahip olmak için gerekli ortam konusunda nasıl yönlendirdiğinin ve uluslararası işbirliğinin bilimin sınırlarının genişletilmesinde oynadığı rolü göstermesi açısından önemlidir. Göller Bölgesi Aylık Hakemli Ekonomi ve Kültür Dergisi Ayrıntı/ 55
LHC: BÜYÜK HADRON ÇARPIŞTIRICISI 13TeV luk çarpışma enerjisiyle LHC insanlığın bugüne kadar geliştirdiği en güçlü parçacık çarpıştırıcısıdır. Geçen yıl haziran ayında kırılan bu rekor yeni keşiflere ve evrenimizin yapıtaşları olan temel parçacıkları daha iyi anlamamıza olanak sağlamaktadır. 7 TeV luk bir önceki rekor standart modelin eksik parçacığı olan Higgs bozonunun keşfiyle sonuçlanmıştır. Bununla birlikte, temel fizikte parçacık etkileşimleri, uzay-zamanın yapısı, karanlık maddenin doğası gibi birçok açık problem bulunmaktadır. LHC nin geliştirilmesiyle bilim insanlarına bu soruları araştırmak için veri sağlanacaktır. LHC gibi parçacık hızlandırıcılarını mümkün kılan teknoloji süperiletkenlerdir. CERN ün 27 km lik tüneline yerleştirilen güçlü elektromıknatıslar ışık hızında hareket eden iki yüksek enerjili ışının çarpışmadan önce yönlendirilmesinde kullanılmaktadır. Bu iki kutuplu ve dört kutuplu mıknatıslar biçimlendirilebilir Nb-Ti iletkeninden yapılmaktadır. LHC nin 2020 de gerçekleştirilmesi beklenen yüksek ışıldamalı yapıya kavuşturulmasında kırılgan Nb3Sn iletkeni ilk defa kullanılacaktır. LHC 100 ülkeden binlerce bilim insanının ortak çalışmasını gerekli kılmıştır. LHC nin öncesinde de büyük miktarda verinin çok sayıda kişiye paylaştırılması ihtiyacı WWW nin geliştirilmesini ve bugünkü haliyle internetin ortaya çıkışını sağlamıştır. Bu yan ürün bilimin toplumun dönüştürmesinde oynadığı güçlü rolü ve insanlığını refahına yaptığı katkıyı göstermesi açısından önemlidir. FCC: GELECEKTEKİ DAİRESEL ÇARPIŞTIRICI LHC den sonraki çağ için CERN şimdiden bir vizyon geliştirmiştir. Eğer yüksek ışıldamalı yapı başarılı olursa yeni makinemiz 100 TeV a ulaşabilen ve mevcut LHC den 7-8 kat daha güçlü olan FCC olacaktır. Bu makine daha önce hiç keşfedilmemiş alanlar için yeni ufuklar açacaktır. Gerçekleştirilebilmesi durumunda, FCC de NB3Sn nin materyal olarak seçilmesi düşünülmektedir ve yeni tip yüksek sıcaklık süperiletkenler ortaya çıkabilir. Bu alet 100 km lik dairesel bir tünel kazılmasını gerektirmektedir. Yaklaşık 6 ton Nb- 3Sn kullanılması planlanmaktadır ve bu miktar ITER in ihtiyaç duyduğundan 10 kat fazladır. Bu nedenle, tüm dünyada bu iletkenin üretim kapasitesine dair bir artış beklenmektedir ve yaşamsal bir öneme sahiptir. Ayrıca, araştırma geliştirme fırsatlarının önü açıktır ve bu alandan yeni şirketlerin ortaya çıkması olanaklıdır. Bunun sonucunda süperiletkenlik endüstrisinin büyümek için önünde ciddi fırsatlar olacaktır ve araştırmalar esnasında birçok yan ürün ortaya çıkacak ve insanlığın hizmetine sunulacaktır. SÜPERİLETKEN MANYETİK ENERJİ DEPOLAMA Süperiletken manyetik enerji depolama (SMES) sistemleri, süperiletken kritik sıcaklığının altında bir sıcaklığa soğutulmuş olan bir süperiletken bobinden geçirilen doğrusal akımın neden olduğu manyetik alanda enerji depolama amacıyla kullanılan sistemlerdir. Tipik bir SMES sistemi üç bölümden oluşmaktadır: Süperiletken bobin, güç şartlandırma sistemi ve cryogenic soğutma sistemi. Süperiletken bobin yüklendikten sonra, akımda azalma olmaz ve manyetik enerji süresiz olarak saklanabilir. SMES sisteminin diğer sistemlere göre en önemli avantajı şarj ve deşarj sırasında zaman gecikmesinin çok kısa olmasıdır. Güç neredeyse anında kullanılabilir ve çok yüksek güç çıkış süresi kısa bir süre için sağlanabilir. Diğer enerji depolama yöntemlerinde depolanan mekanik elektrik enerjisine dönüşümü ile ilgili önemli bir gecikme süresi vardır. Diğer bir avantajı ise güç kaybının elektrik akımlarının neredeyse hiç dirençle karşılaşmaması nedeniyle çok daha az olmasıdır. Göller Bölgesi Aylık Hakemli Ekonomi ve Kültür Dergisi Ayrıntı/ 56