Hvordan kvantematerialer snart kan gøre Star Trek-teknologi til virkelighed

Hvis du synes, at teknologier fra Star Trek virker langt ude, Tænk igen. Mange af apparaterne fra den anerkendte tv-serie er så småt ved at blive en realitet. Selvom vi måske ikke teleporterer folk fra rumskibe til en planets overflade lige nu, vi kommer tættere på at udvikle andre værktøjer, der er afgørende for fremtidige rumrejsebestræbelser.

Jeg er en livslang Star Trek-fan, men jeg er også en forsker, der har specialiseret mig i at skabe nye magnetiske materialer. Det kondenserede stofs fysik omfatter alle nye faste og flydende faser af stof, og dens undersøgelse har ført til næsten alle teknologiske fremskridt i det sidste århundrede, fra computere til mobiltelefoner til solceller.

Min tilgang til at lede efter nye fænomener i materialer kommer fra et kemiperspektiv:Hvordan kan vi skabe materialer, der har nye egenskaber, der kan ændre vores verden, og til sidst bruges til at udforske "mærkeligt, nye verdener"? Jeg tror, ​​at en forståelse af såkaldte "kvantematerialer" i særdeleshed er essentiel for at gøre science-fiction videnskabelig kendsgerning.

Kvantematerialer

Hvad gør et stof til et kvantemateriale? Kvantematerialer har usædvanlige og fantastiske egenskaber, der stammer fra et enormt antal partikler, der virker på en fælles måde.

Tænk på en dirigent, der dirigerer en symfoni:uden nogen orden i musikken, alt hvad du har er støj. Jo flere musikere du har, der optræder ude af trit, jo mere støj vil du have.

Et kvantemateriale har alle de musikere, der består af – i dette tilfælde, elektronerne eller atomerne i et materiale, som beløber sig til milliarder på milliarder af partikler – der virker på en bestemt måde i henhold til kvanteregler, eller "nodeark, " hvis du vil.

I stedet for støj fra tilfældige elektroniske og atomare bevægelser, med en dirigent får du musik - eller i tilfælde af nye materialer, en ny ejendom, der opstår. Brugen af ​​disse nye egenskaber til enheder er det, der driver de teknologiske revolutioner, som vi ser i dag.

Magnetiske felter og skjolde

Så, hvordan kan disse nye materialer bruges i morgendagens rumfartøj? Et eksempel kan være kraftskjoldene, der beskytter skibe i Star Trek. Høje magnetiske felter kan bruges til at beskytte kroppe mod indkommende projektiler, især hvis projektilerne har en elektrisk ladning.

Hvordan skaber man store magnetfelter? En måde er at bruge en superledende magnet. Superledere har elektroner, der leder elektricitet uden strømningsmodstand. En af konsekvenserne af dette er, at der kan genereres store magnetiske felter - strømmen understøttet af en superleder, der genererer magnetfeltet, kan være enorm uden at ødelægge selve superledningsevnen.

Disse superledere bruges hver dag til at skabe store magnetiske felter på steder som hospitaler, hvor MRI-enheder (magnetisk resonansbilleddannelse) kan se inde i kroppen.

Avancerede superledere kan have nye applikationer som magnetiske skjolde til rumfartøjer. Forestil dig dit rumskib beklædt med en superleder, der kan generere et stort magnetfelt med et tryk på en kontakt for at få strømmen til at flyde, skabe et magnetisk kraftskjold.

Det er præcis, hvad forskere ved den europæiske organisation for nuklear forskning, CERN, undersøger:et nyt magnetisk skjold til rumfartøjer -superledende magnesiumdiborid, eller MgB2.

Superledere på rumskibe

Et rumskib belagt med superledende magneter ville generere en "magnetosfære" omkring fartøjet, som kunne bruges til at afbøje skadelige projektiler. Selvom vi ikke behøver at bekymre os om Klingon-torpedoer endnu, vi er nødt til at bekymre os om skadelige kosmiske stråler i det ydre rum til fremtidige rumrejser.

Kosmiske stråler er typisk ladede partikler, der kan forstyrre elektronikken i et rumfartøj, og endnu vigtigere, give astronauter en dødelig dosis stråling under lange rumflyvninger.

Beskyttelse af fremtidige rumfartøjer mod disse stråler er af afgørende betydning for fremtiden for ethvert rumprogram, herunder rejser til Mars i de næste par årtier. Og hvem ved, med de superledende magnetskærme kan du måske undslippe et Romulan-angreb på vejen.

Tekniske forhindringer

Der er en fangst, imidlertid. Superledere virker ikke ved høje temperaturer, og der er ingen stuetemperatur superleder. Over en bestemt temperatur kaldet "kritisk temperatur, " superlederen bliver "normal", og elektronerne oplever en modstand mod at strømme igen. For magnesiumdiborid, dette sker ved en meget kold temperatur - omkring -248 ℃. Dette er faktisk fint for det interstellare rum, hvor baggrundstemperaturen er meget koldere -270 ℃ eller deromkring, men det er ikke befordrende for rumfartøjer, der besøger andre varmere planeter.

Forskere som mig søger efter "stuetemperatur" superledere, der ville gøre det muligt for disse skjolde at arbejde ved meget højere temperaturer. Dette vil også muliggøre nye fremskridt for samfundet såsom billigere sundhedspleje, for eksempel, da man ikke behøver lave temperaturer for at MR-instrumenter kan virke.

Imidlertid, høj temperatur superledning har været et mysterium i årtier, og fremskridt er i langsomme trin. Som en, der arbejder på grænsen mellem fysik og kemi, Jeg tror, ​​at svaret vil blive fundet i opdagelsen af ​​nye materialer. Historisk set, det er her, der er gjort fremskridt med at hæve den kritiske temperatur til én over kogepunktet for flydende nitrogen på -196 ℃.

Disse superledere ville være gode at bruge som magnetiske skjoldenheder, hvis du udforskede mange områder af galaksen. Men de ville ikke fungere på varmere planeter som Mars uden betydelige mængder af kryogener til at holde magneterne kolde.

Kvantecomputere og samfundsrevolution

Superledende teknologi ville også have en række andre anvendelser ombord på rumskibe. Kvantecomputere kan udføre operationer i størrelsesordener hurtigere end konventionelle computere, og ville utvivlsomt blive brugt på et moderne rumskib. Har du brug for at sende en krypteret besked til Starfleet? Hvis klingonerne har en kvantecomputer, de kan muligvis opsnappe og hacke din besked, så du må hellere sikre dig, at du forstår teknologien.

Og superledende elektriske systemer ville naturligvis blive brugt til de mest effektive enheder, fra rumskibsmotorer ned til tricordere brugt i udebanemissioner. Fremkomsten af ​​superledere ved stuetemperatur ville udløse en transformation af vores samfund, som ville konkurrere med moderne elektroniks siliciumalder. Deres opdagelse er en væsentlig hindring at krydse for den næste del af vores evolution som art til en ny teknologisk tidsalder.

Det ville være yderst logisk at fortsætte vores søgen efter en superleder ved stuetemperatur. Hvis bare vi kunne få det til. Kvantematerialer tilbyder mærkelige nye opdagelsesverdener, og måske mest spændende er de teknologier, vi endnu ikke har opdaget - som vil udnytte kvanteeffekter i skala, som mennesker nemt kan se.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.