De studie en ontwikkeling van BaZrO3 oplossingen, suspensies en inkten

 Supergeleiding: de toekomst?

In een belangrijk deel van de geïndustrialiseerde wereld wordt de elektriciteitopwekking momenteel ingenomen door kerncentrales. De controversiële discussie omtrent kernafval en milieuvervuiling voor de volgende generaties zijn alom bekend. Mede na de ramp in Fukushima wordt daarom zeer intensief op zoek gegaan naar methoden die elektriciteit op een groene en duurzame manier produceren. Hierbij hebben zonnecellen een goede opmars gemaakt, maar deze alleen voldoen niet aan de grote vraag naar efficiënte en milieuvriendelijke elektriciteit. Wind –en waterkrachtenergie kan, zoals geweten, een belangrijk alternatief zijn. Hierin kunnen supergeleidende materialen een belangrijke rol spelen.

Gegenereerde elektriciteit van verschillende energiebronnen moet een grote weg afleggen van de energieleverancier tot de klant. Hierbij wordt momenteel gebruik gemaakt van metalen (vb. koper) die tijdens deze weg, wegens de aanzienlijke weerstand in het materiaal, een groot deel van de elektriciteit laat verloren gaan onder de vorm van warmte. Ook al wordt energie dus opgewekt op een efficiënte en milieuvriendelijke manier, toch wordt veel kostbare elektriciteit ‘verspild’. Er bestaat echter een materiaal dat in staat is de elektrische stroom te geleiden zonder enige vorm van verlies, namelijk een supergeleider. Dit is dus een materiaal dat elektrische stroom super geleidt, met als gevolg ontstaat een zeer grote stroom aan een zeer lage energiekost! In onze energieverslindende maatschappij kan dit een doorbraak betekenen voor het gebruik van meer milieuvriendelijke materialen als alternatief voor stookolie. De supergeleidende materialen met de beste vooruitzichten voor de productie op grote schaal werken bij lage temperatuur (92 Kelvin of -181°C, de zogenaamde ‘kritische temperatuur’ Tc) en bestaan uit de elementen yttrium (Y), barium (Ba), koper (Cu) en zuurstof (O), in de vorm van de YBa2Cu3O7 structuur, ook wel YBCO genaamd. Naast de geleiding van stroom zonder weerstand, bezit een supergeleider een tweede opmerkelijke eigenschap. Het materiaal is namelijk in staat om te zweven boven een permanente magneet. Dit komt doordat de supergeleider het magnetische veld van de permanente magneet volledig uitstoot. Een toepassing hiervan is de MAGLEV (magnetic levitation) trein, waarbij een supergeleider aangebracht is op de trein en de sporen een permanente magneet vormen. Deze trein kan snelheden tot 600km/h halen, doordat het zwevende effect boven de sporen alle wrijving teniet doet.

De masterscriptie die hier besproken wordt heeft tot doel deze supergeleidende materialen milieuvriendelijk te synthetiseren, waarbij enkel onschadelijke en volledig watergebaseerde oplossingen gebruikt worden. Bovendien worden in de supergeleider zeer kleine niet-supergeleidende deeltjes ingebouwd, die de eigenschappen sterk verbeteren, zoals verder uitgelegd.

Supergeleiders worden meestal gebruikt in extreem hoge magneetvelden voor toepassingen in hernieuwbare energie (zoals wind –en waterkrachtenergie), sterke magneten voor medische beeldvorming, motoren, generatoren en transformatoren. De supergeleidende eigenschappen van YBCO gaan echter verloren bij het gebruik van te hoge magneetvelden. De karakteristieke eigenschappen zijn namelijk afhankelijk van twee karakteristieke magnetisch velden Hc1 en Hc2. Als een extern magnetisch veld H kleiner is dan Hc1 bezit de supergeleider zijn optimale eigenschappen. Als Hc1<H<Hc2 bevindt het materiaal zich in een toestand tussen de supergeleidende en normale toestand. In deze intermediaire toestand bezit het materiaal nog steeds supergeleidende eigenschappen, maar zijn ook kernen van normale (niet-supergeleidende) gebieden of vortices aanwezig. Het aangelegde magnetische veld dringt dus als het ware binnen in kleine gebieden van het supergeleidende materiaal. De vortices kan men vergelijken met een windhoos, waarbij in het binnenste van de windhoos alles stil is (normale stroom met weerstand), maar waarbij aan de buitenkant van de windhoos een zeer grote kracht (grote superstroom zonder weerstand) aanwezig is. Deze vortices zullen bewegen o.i.v. een groot extern magnetisch veld H en een aangelegde spanning, door de inwerkende krachten van deze twee. Dit veroorzaakt een elektrische weerstand waardoor de supergeleidende eigenschappen verminderen of in het ergste geval vernietigd worden. Als H>Hc2 ontstaat een volledig ‘normaal’, niet-supergeleidend materiaal. Indien men in staat is om de beweging van de vortices te verminderen of te beletten, dan spreekt men van pinnen. Het pinnen van de vortices kan tot stand gebracht worden door normale materialen zonder supergeleidende eigenschappen of pinningcentra toe te voegen aan de YBCO supergeleider. Hierdoor zijn sterke kernen van normale gebieden reeds aanwezig in de supergeleider, die niet zullen bewegen o.i.v. sterke magnetische velden. Deze normale materialen moeten zeer klein zijn opdat ze de supergeleidende eigenschappen van YBCO zo weinig mogelijk verstoren. Te grote normale materialen zullen anders overheersen t.o.v. het supergeleidend materiaal waardoor het geheel niet meer supergeleidend is. Daarom wordt gebruik gemaakt van nanodeeltjes. Nanodeeltjes zijn heel kleine deeltjes ( ̴10-9m), die niet met het blote oog zichtbaar zijn (ter illustratie: ±70 triljoen nanodeeltjes gaan in één waterdruppel).

Het bereiden van deze nanodeeltjes als pinningcentra was dan ook het doel van de masterscriptie. Bariumzirconaat of BaZrO3 (BZO) werd als pinningcentra gekozen dankzij zijn specifieke eigenschappen (hoog smeltpunt, thermisch stabiel, weinig chemisch reactief…). Dankzij deze eigenschappen kan BZO ook in vele andere toepassingen gebruikt worden: in vele structurele toepassingen, zoals beschermlagen op materialen die onder verhoogde temperaturen werkzaam zijn. Het kan ook toegepast worden in brandstofcellen dat als alternatief voor milieuvriendelijkere batterijen, auto’s en zelfs energiecentrales kan gebruikt worden.

Tijdens de masterscriptie werden kristallijne nanodeeltjes van slechts 5nm gesynthetiseerd door synthese vanuit waterige oplossingen via het eenvoudig gebruik van een microgolfoven. De synthese is snel, milieuvriendelijk en efficiënt. De zuiverheid van de materialen moet verder geoptimaliseerd worden, maar de verwerking van de deeltjes in supergeleidende dunne lagen is aangetoond. Hiervoor werd de eenvoudige techniek ink-jet printen gebruikt. Door de ombouw van het prototype van een kleurenprinter, kunnen dunne lagen en patronen van het supergeleidende materiaal geprint worden op geschikte substraten. Via de energie-efficiënte en milieuvriendelijke synthese, samen met een minimaal materiaalgebruik via precieze printtechnieken, is een stap dichter gezet naar het gebruik van supergeleidende materialen op grote schaal. Hiermee zijn we terug een stap dichter naar de ontwikkeling van materialen met een goede levenscyclus en een lage ‘footprint’ op het gebied van energieverbruik en milieuvervuiling.