מדענים יצרו את פלח חוטי המוליכות העל בעל הביצועים הגבוהים ביותר בעולם

מחקר חדש מגלה שהיישום בקנה מידה גדול וחסכוני של חוט מוליך-על בטמפרטורה גבוהה יותר ויותר אפשרי.

העתיד של מערכות האנרגיה שלנו יכול להיות מעוצב על ידי חוטי מוליכים בטמפרטורה גבוהה (HTS). לחומרים מתקדמים אלה, המסוגלים להעביר חשמל ללא התנגדות בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר מוליכים קונבנציונליים, יש פוטנציאל לשנות את הרשת החשמלית ולהפוך את ההיתוך הגרעיני המסחרי למציאות.

עם זאת, יישומים בקנה מידה גדול אלה לא יתרחשו עד שניתן יהיה לייצר חוטי HTS במדד מחיר-ביצועים השווה לזה של חוט הנחושת הפשוט הנמכר בחנות לחומרי בניין המקומית שלך.

מחקר בהובלת האוניברסיטה החדשה בבאפלו מקרב אותנו ליעד הזה. במחקר שפורסם ב תקשורת טבעחוקרים מדווחים שהם יצרו את פלח חוטי ה-HTS בעל הביצועים הגבוהים ביותר בעולם תוך ביצוע מדד מחיר-ביצועים ליותר חיובי משמעותית.

בהתבסס על תחמוצת בריום נחושת של אדמה נדירה (REBCO), החוטים שלהם השיגו את צפיפות הזרם הקריטית וכוח ההצמדה הגבוהים ביותר – כמות הזרם החשמלי הנישא והיכולת להצמיד מערבולות מגנטיות, בהתאמה – שדווחו עד כה עבור כל השדות והטמפרטורות המגנטיים מ 5 קלווין עד 77 קלווין.

טווח הטמפרטורות הזה עדיין קר במיוחד – מינוס 451 מעלות עד מינוס 321 מעלות פרנהייט – אבל גבוה מה אפס מוחלט שמוליכי-על מסורתיים פועלים בו.

"תוצאות אלו יסייעו להנחות את התעשייה לאופטימיזציה נוספת של תנאי ההצבה והייצור שלהם כדי לשפר באופן משמעותי את מדד המחיר-ביצועים במוליכים מצופים מסחריים", אומר המחבר המקביל למחקר, עמית גויאל, דוקטורט, פרופסור נכבד של SUNY ופרופסור לחדשנות באימפריה של SUNY המחלקה להנדסה כימית וביולוגית, במסגרת בית הספר להנדסה ולמדעים יישומיים של UB. "הפיכת המדד של מחיר-ביצועים למועדף יותר נדרשת כדי לממש את היישומים הרבים בקנה מידה גדול של מוליכים-על".

לחוטי HTS יש יישומים רבים

יישומים של חוטי HTS כוללים הפקת אנרגיה, כגון הכפלת הספק המופק מגנרטורים רוח ימיים; מערכות אחסון אנרגיה מגנטיות מוליכות-על בקנה מידה רשת; העברת אנרגיה, כגון שידור כוח ללא הפסדים בקווי תמסורת DC ו-AC זרם גבוה; ויעילות אנרגטית בצורה של שנאים מוליכי-על יעילים במיוחד, מנועים ומגבילי זרם תקלות לרשת.

רק יישום נישה אחד של חוטי HTS, היתוך גרעיני מסחרי, הוא בעל פוטנציאל ליצירת אנרגיה נקייה בלתי מוגבלת. רק בשנים האחרונות, כ-20 חברות פרטיות הוקמו ברחבי העולם כדי לפתח היתוך גרעיני מסחרי, ומיליארדי דולרים הושקעו בפיתוח חוטי HTS עבור יישום זה בלבד.

יישומים אחרים של חוטי HTS כוללים MRI של הדור הבא לרפואה, הדור הבא של תהודה מגנטית גרעינית (NMR) לגילוי תרופות, ומגנטים בשדה גבוה ליישומי פיזיקה רבים. ישנם גם יישומי הגנה רבים, כגון בפיתוח של ספינות חשמליות ומטוסים חשמליים.

כיום, רוב החברות ברחבי העולם המייצרות חוטי HTS באורך קילומטרים ובעלי ביצועים גבוהים משתמשות באחד או יותר מהחידושים הטכנולוגיים של הפלטפורמה שפותחו בעבר על ידי גויאל וצוותו.

אלה כוללים טכנולוגיית מצעים בעלי מרקם דו-צירי (RABiTS), טכנולוגיית MgO המבוססת על קרן יונים התומכת ב-LMOe (IBAD) ופגמים ננו-עמודים ב- ננומטרי מרווחים באמצעות הפרדת פאזות סימולטנית וטכנולוגיית הרכבה עצמית מונעת על ידי מתח.

צפיפות זרם קריטית שיא עולמי וכוח ההצמדה

בעבודה הנוכחית המדווחת ב-Nature Communications, הקבוצה של גויאל מדווחת על חוטי-על מוליכים מבוססי REBCO עם ביצועים גבוהים במיוחד.

ב-4.2 קלווין, חוטי ה-HTS נשאו 190 מיליון אמפר לסנטימטר רבוע ללא כל שדה מגנטי חיצוני, המכונה גם שדה עצמי, ו-90 מיליון אמפר לסנטימטר רבוע עם שדה מגנטי של 7 טסלה.

בטמפרטורה חמה יותר של 20 קלווין – טמפרטורת היישום החזויה עבור היתוך גרעיני מסחרי – החוטים עדיין יכולים לשאת מעל 150 מיליון אמפר לסנטימטר רבוע שדה עצמי ומעל 60 מיליון אמפר לסנטימטר רבוע ב-7 טסלה.

במונחים של זרם קריטי, זה מתאים לקטע חוט ברוחב 4 מילימטר ב-4.2 קלווין עם זרם-על של 1,500 אמפר בשדה עצמי ו-700 אמפר ב-7 טסלה. ב-20 קלווין, זה 1,200 אמפר בשדה עצמי ו-500 אמפר ב-7 טסלה.

ראוי לציין שסרט ה-HTS של הצוות, למרות עוביו של 0.2 מיקרון בלבד, יכול לשאת זרם דומה לזה של חוטי-על מסחריים עם סרט HTS עובי כמעט פי 10.

באשר לכוח ההצמדה, החוטים הראו יכולת חזקה להחזיק מערבולות מגנטיות צמודות או במקומן, עם כוחות של כ-6.4 טרנוטון למטר מעוקב ב-4.2 קלווין וכ-4.2 טרנוטון למטר מעוקב ב-20 קלווין, שניהם תחת מגנטי של 7 טסלה. שָׂדֶה.

אלו הם הערכים הגבוהים ביותר של צפיפות זרם קריטי וכוח ההצמדה שדווחו עד כה עבור כל השדות המגנטיים וטמפרטורות הפעולה מ-5 קלווין עד 77 קלווין.

"תוצאות אלו מוכיחות ששיפורי ביצועים משמעותיים עדיין אפשריים ומכאן ההפחתה הנלווית בעלויות שיכולה להתממש בחוטי HTS מסחריים אופטימליים", אומר גויאל.

איך יוצר חוט בעל ביצועים גבוהים

מקטע חוטי ה-HTS יוצר על מצעים באמצעות טכנולוגיית (IBAD) MgO ושימוש בפגמים הננו-עמודים באמצעות הפרדת פאזות סימולטנית וטכנולוגיית הרכבה עצמית מונעת על ידי מתח. טכנולוגיית ההרכבה העצמית מאפשרת שילוב על עמודות ננו-על מבודדות או שאינן מוליכות-על במרווחים בקנה מידה ננו-על בתוך המוליך. פגמים אלו יכולים להצמיד את המערבולות המוליכות-על, ולאפשר זרמי-על גבוהים יותר.

"צפיפות הזרם הקריטית הגבוהה התאפשרה על ידי שילוב של השפעות ההצמדה מסימום של כדור הארץ נדיר, פגמים בנקודת החמצן, ובידוד ננו-עמודות בריום זירקון והמורפולוגיות שלהן", אומר גויאל.

"סרט ה-HTS נעשה באמצעות מערכת שיקוע לייזר פועמת מתקדמת באמצעות שליטה קפדנית על פרמטרי שיקוע", מוסיף רוהיט קומאר, עמית בתר-דוקטורט במעבדת UB לצמיחה הטרופיטקסיאלית של חומרים ומכשירים פונקציונליים, שגויאל מובילה.

בתצהיר לייזר פועם, קרן לייזר פוגעת בחומר מטרה ומבטלת חומר המופקד כסרט על מצע הממוקם כראוי.

"ביצענו גם מיקרוסקופיה ברזולוציה אטומית באמצעות המיקרוסקופים המתקדמים ביותר במרכז הקנדי למיקרוסקופיה אלקטרונית באוניברסיטת מקמאסטר לאפיון פגמים ננו-עמודים ובקנה מידה אטומי, וכן ערכנו כמה מדידות של מאפיינים מוליכים באוניברסיטת סלרנו באיטליה", אומר גויאל. .

המשרד לחקר הצי (ONR) תמך במחקר בסיסי זה לקראת פיתוח חוטי HTS מעולים. גויאל הוא החוקר הראשי של הפרויקט.