เราใกล้แค่ไหนกับตัวนำยวดยิ่งที่ใช้งานได้จริง?

คำถามว่า เราใกล้แค่ไหนกับตัวนำยวดยิ่งที่ใช้งานได้จริง? กำลังได้รับความสนใจมากขึ้น เพราะวัสดุชนิดนี้อาจเปลี่ยนแปลงระบบไฟฟ้า การแพทย์ การคมนาคม และคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อย่างมาก ตัวนำยวดยิ่งสามารถนำกระแสไฟฟ้าโดยแทบไม่มีความต้านทาน ทำให้พลังงานสูญเสียระหว่างการส่งผ่านลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม การค้นพบวัสดุที่มีคุณสมบัตินี้ในห้องทดลองยังไม่เท่ากับการนำไปใช้จริงในชีวิตประจำวัน

เราใกล้แค่ไหนกับตัวนำยวดยิ่งที่ใช้งานได้จริง?

จุดเริ่มต้นของเรื่องนี้ย้อนกลับไปในปี 1911 เมื่อนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ ไฮเคอ คามเมอร์ลิงห์ ออนเนส ค้นพบว่าปรอทสูญเสียความต้านทานไฟฟ้าเกือบทั้งหมดเมื่อถูกทำให้เย็นจัดใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ปรากฏการณ์ดังกล่าวเรียกว่า สภาพนำยวดยิ่ง หรือ superconductivity หลังจากนั้น นักวิทยาศาสตร์พบว่าวัสดุหลายชนิดสามารถแสดงคุณสมบัตินี้ได้ หากได้รับอุณหภูมิและสภาวะที่เหมาะสม

ทุกวันนี้ ตัวนำยวดยิ่งถูกใช้งานในอุปกรณ์สำคัญ เช่น เครื่อง MRI เครื่องเร่งอนุภาค และคอมพิวเตอร์ควอนตัม วัสดุเหล่านี้ช่วยสร้างสนามแม่เหล็กที่ทรงพลังและเสถียร รวมถึงช่วยให้กระแสไฟฟ้าไหลโดยสูญเสียพลังงานน้อยมาก แต่ข้อจำกัดหลักยังคงเป็นเรื่องอุณหภูมิ วัสดุส่วนใหญ่ต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก ซึ่งต้องใช้ระบบทำความเย็นที่มีราคาแพงและซับซ้อน

เราใกล้แค่ไหนกับตัวนำยวดยิ่งที่ใช้งานได้จริงในอุณหภูมิห้อง?

ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา งานวิจัยมุ่งเน้นไปที่วัสดุไฮไดรด์ ซึ่งมีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบและสามารถแสดงอุณหภูมิวิกฤต หรือ Tc ได้สูงมาก วัสดุบางชนิดมีคุณสมบัตินำยวดยิ่งใกล้อุณหภูมิห้อง แต่ต้องอยู่ภายใต้แรงดันมหาศาลที่สูงกว่าความดันบรรยากาศหลายล้านเท่า เงื่อนไขเช่นนี้เหมาะกับการทดลองในห้องแล็บ แต่ไม่เหมาะกับสายไฟ เครื่องใช้ไฟฟ้า หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป

นักวิจัยจึงพยายามหาวิธีใช้แรงดันสูงเป็นเพียงเครื่องมือในการสร้างโครงสร้างวัสดุ จากนั้นจึงลดแรงดันลงโดยยังคงรักษาคุณสมบัตินำยวดยิ่งไว้ แนวทางนี้เรียกว่า pressure quenching หรือการลดแรงดันแบบฉับพลัน ผลงานบางชิ้นแสดงให้เห็นว่าวัสดุสามารถคงสภาพนำยวดยิ่งที่เกิดจากแรงดันสูงไว้ได้เมื่อกลับสู่ความดันบรรยากาศแล้ว

หนึ่งในผลลัพธ์ที่น่าสนใจคือการเพิ่มอุณหภูมิวิกฤตของวัสดุปรอทคิวเพรตบางชนิดให้สูงถึงประมาณ 151 เคลวินที่ความดันบรรยากาศ ตัวเลขนี้สูงกว่าสถิติเดิมที่อยู่ราว 133 เคลวิน และถือเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญ อย่างไรก็ตาม ยังไม่ควรตีความว่าวัสดุชนิดนี้พร้อมกลายเป็นสายไฟหรืออุปกรณ์เชิงพาณิชย์ทันที เพราะยังต้องพิสูจน์ความเสถียร ขนาดการผลิต และความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าจำนวนมาก

อะไรทำให้ตัวนำยวดยิ่งยังใช้งานยาก

การมีค่า Tc สูงเป็นเพียงหนึ่งในเงื่อนไขของวัสดุที่ใช้งานได้จริง วัสดุที่ดีต้องทำงานได้ใกล้ความดันบรรยากาศ รับกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสูงได้ ไม่แตกหักง่าย และสามารถผลิตเป็นเส้นลวด เทป ฟิล์ม หรือชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่ได้ นอกจากนี้ต้นทุนวัตถุดิบ กระบวนการผลิต และระบบทำความเย็นต้องคุ้มค่าทางเศรษฐกิจด้วย

• ความเสถียร: วัสดุต้องคงคุณสมบัติได้เป็นเวลานานโดยไม่เสื่อมสภาพจากความร้อนหรือแรงสั่นสะเทือน
• การผลิตซ้ำ: ห้องทดลองต้องสามารถสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติเหมือนเดิมได้หลายครั้ง
• การขึ้นรูป: วัสดุต้องนำไปทำเป็นสายไฟ เทป หรือฟิล์มได้โดยไม่สูญเสียความสามารถในการนำยวดยิ่ง
• ความสามารถในการรับกระแส: วัสดุต้องรองรับกระแสสูงได้จริง ไม่ใช่เพียงแสดงผลลัพธ์ในตัวอย่างขนาดเล็ก
• ต้นทุน: การผลิตและการทำความเย็นต้องเหมาะสมกับการใช้งานเชิงพาณิชย์

อีกปัญหาคือวัสดุที่มีคุณสมบัติดีที่สุดในระดับอะตอมอาจสังเคราะห์ได้ยากมาก นักวิทยาศาสตร์จึงต้องทำงานร่วมกันหลายสาขา ทั้งฟิสิกส์ของสสารควบแน่น เคมีวัสดุ วิศวกรรมการผลิต และการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์ การค้นพบจากแบบจำลองยังต้องผ่านการทดลองเพื่อยืนยันว่าโครงสร้างนั้นสามารถสร้างขึ้นจริงและคงตัวได้ในอุณหภูมิที่เหมาะสม

ทิศทางที่อาจทำให้เข้าใกล้การใช้งานจริง

นอกจากวัสดุไฮโดรเจนแล้ว นักวิจัยยังศึกษาสารประกอบที่มีโบรอน ไฮโดรเจนชนิดใหม่ และวัสดุที่มีโครงสร้างเป็นชั้น แนวคิดสำคัญคือการทำความเข้าใจว่าโครงสร้างอะตอมและอิเล็กตรอนแบบใดสามารถปกป้องสภาพนำยวดยิ่งจากการรบกวนของความร้อนได้ หากค้นพบหลักการทั่วไป นักวิทยาศาสตร์อาจออกแบบวัสดุใหม่ได้อย่างมีเป้าหมาย แทนที่จะทดลองแบบลองผิดลองถูก

การใช้ปัญญาประดิษฐ์และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงก็ช่วยเร่งกระบวนการค้นหาได้มากขึ้น ระบบเหล่านี้สามารถคัดกรองสารประกอบจำนวนมหาศาล และประเมินทั้งอุณหภูมิวิกฤต ความเสถียร และความเป็นไปได้ในการผลิต อย่างไรก็ตาม การคำนวณไม่สามารถแทนที่การทดลองทั้งหมดได้ เพราะวัสดุจริงอาจมีตำหนิ สิ่งเจือปน หรือพฤติกรรมที่แบบจำลองยังคาดการณ์ไม่ได้

ในระยะใกล้ เทคโนโลยีที่มีโอกาสเติบโตอาจไม่ใช่ตัวนำยวดยิ่งที่ทำงานในอุณหภูมิห้อง แต่เป็นตัวนำยวดยิ่งอุณหภูมิสูงที่ใช้ไนโตรเจนเหลวในการทำความเย็น ระบบเหล่านี้มีต้นทุนและความซับซ้อนต่ำกว่าการใช้ฮีเลียมเหลว จึงอาจเหมาะกับโครงข่ายไฟฟ้า เครื่องมือวิทยาศาสตร์ และอุปกรณ์เฉพาะทางมากขึ้น

สรุปความเป็นไปได้ในอนาคต

เมื่อถามว่า เราใกล้แค่ไหนกับตัวนำยวดยิ่งที่ใช้งานได้จริง? คำตอบคือเราเข้าใกล้ขึ้นอย่างชัดเจนในด้านความเข้าใจและการค้นพบวัสดุ แต่ยังอยู่ห่างจากการผลิตอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคในวงกว้าง วัสดุที่ทำงานใกล้อุณหภูมิห้องภายใต้ความดันปกติยังต้องผ่านการทดสอบอีกหลายขั้น ตั้งแต่ความเสถียรและการผลิตขนาดใหญ่ ไปจนถึงต้นทุนและความปลอดภัย

ผู้เชี่ยวชาญบางส่วนมองว่าอาจต้องใช้เวลาอีกสิบถึงสิบห้าปีก่อนที่ตัวนำยวดยิ่งภายใต้ความดันบรรยากาศจะเข้าสู่ตลาดอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ขณะที่การใช้งานในโครงข่ายไฟฟ้าและอุปกรณ์เฉพาะทางอาจเกิดขึ้นได้เร็วกว่านั้น ความก้าวหน้าที่แท้จริงจะเกิดจากการทำงานร่วมกันระหว่างนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายแขนง

มุมมองที่น่าสนใจคือ เราไม่ควรวัดความสำเร็จจากค่าอุณหภูมิวิกฤตเพียงอย่างเดียว แต่ควรถามว่าวัสดุนั้นผลิตได้จริง ทนทาน และแก้ปัญหาในโลกจริงได้หรือไม่ หากคุณติดตามเทคโนโลยีพลังงานแห่งอนาคต นี่คือช่วงเวลาที่ควรจับตา เพราะการค้นพบครั้งสำคัญอาจเปลี่ยนตัวนำยวดยิ่งจากความมหัศจรรย์ในห้องทดลองให้กลายเป็นเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงในชีวิตประจำวัน

ที่มา – How Close Are We to Superconductors That Are Actually Practical?