Вчені виготовили найефективніший у світі сегмент надпровідного дроту

Нове дослідження показує, що широкомасштабне, економічно ефективне впровадження високотемпературного надпровідного дроту стає все більш можливим. Високотемпературні надпровідні (ВТС) дроти можуть визначити майбутнє наших енергетичних систем. Ці передові матеріали, здатні передавати електрику без опору при вищих температурах, ніж звичайні надпровідники, мають потенціал трансформувати електричну мережу та зробити комерційний ядерний синтез реальністю.

Однак ці широкомасштабні програми не відбудуться, доки HTS-дроти не будуть виготовлені за показником ціна-продуктивність, що дорівнює показникам звичайного мідного дроту, який продається у вашому місцевому будівельному магазині.

Нове дослідження під керівництвом університету Баффало наближає нас до цієї мети. У дослідженні, опублікованому в Nature Communications, дослідники повідомляють, що вони виготовили найефективніший у світі сегмент дроту HTS, одночасно зробивши показник ціни та продуктивності значно кращим.

На основі рідкоземельного оксиду барієвої міді (REBCO) їхні дроти досягли найвищої критичної щільності струму та сили закріплення — величини електричного струму, що переноситься, і здатності закріплювати магнітні вихори, відповідно — зареєстрованих на сьогодні для всіх магнітних полів і температур від від 5 кельвінів до 77 кельвінів.

Цей температурний діапазон все ще надзвичайно низький — від мінус 451 градуса до мінус 321 градуса за Фаренгейтом — але вище, ніж абсолютний нуль , при якому працюють традиційні надпровідники.

«Ці результати допоможуть промисловості в напрямку подальшої оптимізації умов їх осадження та виготовлення, щоб значно покращити показник ціни та ефективності комерційних провідників з покриттям», — каже відповідний автор дослідження, доктор філософії Аміт Гойял, почесний професор SUNY та професор інновацій SUNY Empire. Кафедра хімічної та біологічної інженерії в Школі інженерії та прикладних наук UB. «Для повної реалізації численних широкомасштабних передбачуваних застосувань надпровідників необхідно зробити більш сприятливим показник ціни та ефективності».

HTS дроти мають багато застосувань

Застосування дротів HTS включає виробництво енергії, наприклад подвоєння потужності, виробленої морськими вітровими генераторами; сітчасті надпровідні магнітні системи накопичення енергії; передача енергії, така як передача електроенергії без втрат у лініях електропередач постійного та змінного струму сильного струму; та енергоефективність у формі високоефективних надпровідних трансформаторів, двигунів та обмежувачів струму пошкодження для мережі.

Лише одне нішеве застосування проводів HTS, комерційний ядерний синтез, має потенціал для отримання безмежної чистої енергії. Лише за останні кілька років у всьому світі було засновано приблизно 20 приватних компаній для розробки комерційного ядерного синтезу, і мільярди доларів були інвестовані в розробку проводів HTS тільки для цього застосування.

Інші застосування дротів HTS включають наступне покоління МРТ для медицини, ядерно-магнітний резонанс нового покоління (ЯМР) для відкриття ліків і магніти високого поля для численних застосувань у фізиці. Є також численні застосування в обороні, наприклад, у розробці повністю електричних кораблів і повністю електричних літаків.

Зараз більшість компаній у всьому світі, які виготовляють кілометрові високопродуктивні дроти HTS, використовують одну або кілька технологічних інновацій платформи, розроблених раніше Гоялом і його командою.

До них відносяться технологія двовісно текстурованих підкладок (RABiTS) з підтримкою прокатки, технологія MgO з підтримкою іонно-променевого осадження (IBAD) і наноколонкові дефекти на нанорозмірних відстанях за допомогою одночасного поділу фаз і технології самозбірки, керованої деформацією.

Світовий рекорд критичної щільності струму та сили закріплення

У цій роботі, опублікованій у Nature Communications, група Гояля повідомляє про надпровідні дроти на основі надвисокої продуктивності REBCO. При 4,2 кельвіна дроти HTS перенесли 190 мільйонів ампер на квадратний сантиметр без зовнішнього магнітного поля, також відомого як власне поле, і 90 мільйонів ампер на квадратний сантиметр з магнітним полем 7 тесла.

При вищій температурі 20 кельвінів – передбачуваній температурі застосування для комерційного ядерного синтезу – дроти все ще можуть переносити більше 150 мільйонів ампер на квадратний сантиметр власного поля та понад 60 мільйонів ампер на квадратний сантиметр при 7 тесла.

З точки зору критичного струму, це відповідає сегменту дроту шириною 4 міліметри при 4,2 кельвіна, який має суперструм 1500 ампер у власному полі та 700 ампер при 7 тесла. При 20 Кельвіна це 1200 ампер у власному полі та 500 ампер у 7 тесла.

Варто зазначити, що розроблена командою плівка HTS, незважаючи на те, що вона має товщину лише 0,2 мікрона, може пропускати струм, який можна порівняти зі струмом комерційних надпровідних проводів із плівкою HTS, яка майже в 10 разів товща.

Що стосується сили закріплення, дроти показали сильну здатність утримувати магнітні вихори закріпленими або на місці, з силами приблизно 6,4 тераньютона на кубічний метр при 4,2 кельвіна та близько 4,2 тераньютона на кубічний метр при 20 кельвінах, обидва під впливом 7-тесла магнітного поля. поле.

Це найвищі значення критичної щільності струму та сили закріплення, зареєстровані на сьогоднішній день для всіх магнітних полів і робочих температур від 5 кельвінів до 77 кельвінів.

«Ці результати демонструють, що все ще можливі значні покращення продуктивності та, отже, пов’язане зниження вартості, яке потенційно може бути реалізоване в оптимізованих комерційних дротах HTS», — говорить Гоял.

Як був виготовлений високоефективний дріт

Сегмент HTS дроту був виготовлений на підкладках за технологією (IBAD) MgO та з використанням наноколонкових дефектів за допомогою одночасного поділу фаз і технології самозбірки, керованої деформацією. Технологія самоскладання дозволяє вбудовувати в ізоляційні або ненадпровідні наноколонки на наномасштабних відстанях усередині надпровідника. Ці нанодефекти можуть закріплювати надпровідні вихори, створюючи більш високі надструми.

«Висока критична щільність струму стала можливою завдяки поєднанню ефектів закріплення від допування рідкоземельних елементів, кисневих точкових дефектів та ізоляційних наноколонок з цирконату барію та їх морфології», — говорить Гоял.

«Плівка HTS була створена за допомогою вдосконаленої системи імпульсного лазерного осадження шляхом ретельного контролю параметрів осадження», — додає Рохіт Кумар, докторант лабораторії гетероепітаксіального росту функціональних матеріалів і пристроїв UB, яку очолює Гойал.

Під час імпульсного лазерного осадження лазерний промінь потрапляє на цільовий матеріал і видаляє матеріал, який наноситься у вигляді плівки на належним чином розміщену підкладку.

«Ми також провели мікроскопію з атомною роздільною здатністю за допомогою найсучасніших мікроскопів у Канадському центрі електронної мікроскопії в Університеті МакМастера для визначення характеристик наноколонкових і атомних дефектів, а також провели деякі вимірювання властивостей надпровідності в Університеті Салерно в Італії», — говорить Гойял.