Om du tycker att teknik från Star Trek verkar långsökt, Tänk om. Många av enheterna från den hyllade tv -serien håller långsamt på att bli verklighet. Även om vi kanske inte teleporterar människor från rymdskepp till en planets yta snart, vi närmar oss utvecklingen av andra verktyg som är viktiga för framtida rymdresor.

Jag är ett livslångt Star Trek -fan, men jag är också en forskare som specialiserat sig på att skapa nya magnetiska material. Fysiken för kondenserad materia omfattar alla nya fasta och flytande faser av materia, och dess studie har lett till nästan alla tekniska framsteg under förra seklet, från datorer till mobiltelefoner till solceller.

Mitt tillvägagångssätt för att leta efter nya fenomen i material kommer från ett kemiperspektiv:Hur kan vi skapa material som har nya egenskaper som kan förändra vår värld, och så småningom användas för att utforska "konstigt, nya världar "? Jag tror att en förståelse av så kallade" kvantmaterial "i synnerhet är avgörande för att göra science-fiction-vetenskap till fakta.

Kvantmaterial

Vad gör ett ämne till ett kvantmaterial? Kvantmaterial har ovanliga och fantastiska egenskaper som härrör från enorma mängder partiklar som verkar på ett samordnat sätt.

Tänk på en dirigent som leder en symfoni:utan någon ordning på musiken, allt du har är buller. Ju fler musiker du har att utföra i oförmåga, desto mer ljud kommer du att få.

Ett kvantmaterial har alla de bestående musikerna - i det här fallet elektronerna eller atomerna i ett material, som uppgår till miljarder på miljarder partiklar - agerar på ett visst sätt enligt kvantregler, eller "noter, " om du vill.

Istället för brus från slumpmässiga elektroniska och atomiska rörelser, med en dirigent får du musik - eller när det gäller nytt material, en ny fastighet som växer fram. Användningen av dessa nya egenskaper för enheter är det som driver de tekniska revolutioner som vi ser idag.

Magnetfält och sköldar

Så, hur kan dessa nya material användas i morgondagens rymdfarkoster? Ett exempel kan vara kraftsköldarna som skyddar fartyg i Star Trek. Höga magnetfält kan användas för att skydda kroppar från inkommande projektiler, särskilt om projektilerna har en elektrisk laddning.

Hur skapar man stora magnetfält? Ett sätt är att använda en supraledande magnet. Superledare har elektroner som leder elektricitet utan flödesmotstånd. En av konsekvenserna av detta är att stora magnetfält kan genereras - strömmen som stöds av en superledare som genererar magnetfältet kan vara enorm utan att förstöra själva superledningen.

Dessa superledare används varje dag för att skapa stora magnetfält på platser som sjukhus för MR -enheter (magnetisk resonansavbildning) för att se inuti kroppen.

Avancerade superledare kan ha nya applikationer som magnetiska sköldar för rymdfarkoster. Föreställ dig ditt rymdskepp belagt i en superledare som kan generera ett stort magnetfält med en knapptryckning för att få strömmen att flyta, skapa en magnetisk kraftsköld.

Detta är exakt vad forskare vid Europeiska organisationen för kärnforskning, CERN, undersöker:en ny magnetisk sköld för rymdfarkoster - supraledande magnesiumdiborid, eller MgB₂.

Superledare på rymdskepp

Ett rymdskepp belagt med supraledande magneter skulle generera en "magnetosfär" runt fartyget som skulle kunna användas för att avleda skadliga projektiler. Även om vi inte behöver oroa oss för Klingon -torpeder ännu, vi behöver oroa oss för skadliga kosmiska strålar i yttre rymden för framtida rymdresor.

Kosmiska strålar är vanligtvis laddade partiklar som kan störa elektroniken i ett rymdfarkoster, och ännu viktigare, ge astronauterna en dödlig dos av strålning under långa rymdfärder.

Att skydda framtida rymdfarkoster från dessa strålar är av avgörande betydelse för framtida rymdprogram, inklusive resor till Mars under de närmaste decennierna. Och vem vet, med de superledande magnetsköldarna kan du kanske undkomma en Romulan -attack på vägen.

Tekniska hinder

Det finns en fångst, dock. Superledare fungerar inte vid höga temperaturer och det finns ingen superledare vid rumstemperatur. Över en viss temperatur som kallas "kritisk temperatur, "superledaren blir" normal "och elektronerna upplever ett motstånd mot flöde igen. För magnesiumdiborid, detta sker vid en mycket kall temperatur -cirka -248 ℃. Detta är faktiskt bra för interstellärt utrymme där bakgrundstemperaturen är mycket kallare -270 ℃ eller så, men det bidrar inte till att rymdfarkoster besöker andra varmare planeter.

Forskare som jag söker efter "rumstemperatur" superledare som skulle göra det möjligt för dessa sköldar att arbeta vid mycket högre temperaturer. Detta skulle också möjliggöra nya framsteg för samhället, till exempel billigare sjukvård, till exempel, eftersom man inte skulle behöva låga temperaturer för att MR -instrument skulle fungera.

Dock, supraledning vid hög temperatur har varit ett mysterium i decennier, och framstegen går långsamt. Som någon som arbetar på gränsen mellan fysik och kemi, Jag tror att svaret kommer att hittas i upptäckten av nya material. Historiskt sett här har framsteg gjorts för att höja den kritiska temperaturen till en över kokpunkten för flytande kväve -196 ℃.

Dessa superledare skulle vara fantastiska att använda som magnetiska sköldenheter om du utforskade många områden i galaxen. Men de skulle inte arbeta på varmare planeter som Mars utan betydande mängder kryogener för att hålla magneterna kalla.

Kvantdatorer och samhällsrevolution

Superledande teknik skulle också ha en mängd andra användningsområden ombord på rymdskepp. Kvantdatorer kan utföra storleksordningar snabbare än konventionella datorer, och skulle utan tvekan användas på ett modernt rymdskepp. Behöver du skicka ett krypterat meddelande till Starfleet? Om klingonerna har en kvantdator, de kanske kan fånga upp och hacka ditt meddelande, så det är bättre att se till att du förstår tekniken.

Och supraledande elektriska system skulle naturligtvis användas för de mest effektiva enheterna, från rymdskeppsmotorer till tricorders som används i bortauppdrag. Framväxten av superledare vid rumstemperatur skulle leda till en förändring av vårt samhälle som skulle konkurrera med kiselåldern för modern elektronik. Deras upptäckt är ett viktigt hinder för nästa del av vår utveckling som art till en ny teknikålder.

Det skulle vara mycket logiskt att fortsätta vårt sökande efter en rumsledande superledare. Om vi ​​bara kunde göra det så. Kvantmaterial erbjuder konstiga nya upptäcktsvärldar och kanske mest spännande är den teknik vi inte har upptäckt ännu - som kommer att utnyttja kvanteffekter på skalan som människor enkelt kan se.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.