NatComm: Создан самый высокопроизводительный в мире сверхпроводящий провод

Будущее энергетики может зависеть от высокотемпературных сверхпроводящих проводов, — ВТСП. Эта технология проводит электричество без сопротивления при более высоких температурах, чем традиционные сверхпроводники. Это может кардинально изменить электросети и даже сделать возможным коммерческий ядерный синтез.

Но эти масштабные изменения произойдут только тогда, когда ВТСП-проволока станет такой же доступной по соотношению цены и качества, как обычная медная проволока из хозяйственного магазина.

Учёные из Университета Буффало создали самый высокопроизводительный сегмент ВТСП-проволоки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Провода на основе оксида меди с редкоземельным барием (REBCO) показали рекордные значения критической плотности тока и силы пиннинга. Эти показатели были достигнуты при всех магнитных полях и температурах от 5 до 77 кельвинов.

Этот диапазон температур очень холодный — от -451 до -321 градуса по Фаренгейту. Но он выше абсолютного нуля, при котором функционируют традиционные сверхпроводники.

Результаты исследования помогут промышленности оптимизировать условия изготовления, чтобы улучшить соотношение цены и качества коммерческих проводников с покрытием, — говорит автор исследования Амит Гоял.

Чтобы полностью реализовать все возможные применения сверхпроводников, нужно сделать их более выгодными по соотношению цены и качества.

У ВТСП проводов много применений

Сверхпроводящие провода (ВТСП) используются в разных областях:

• для производства энергии — например, чтобы увеличить мощность морских ветрогенераторов в два раза;
• для хранения энергии с помощью сверхпроводящих магнитных полей;
• для передачи энергии без потерь в высоковольтных линиях постоянного и переменного тока;
• в энергоэффективных устройствах — таких как сверхпроводящие трансформаторы, двигатели и ограничители тока повреждения для электросетей.

Только одна сфера применения ВТСП-проводов имеет потенциал для бесконечного производства чистой энергии — это коммерческий ядерный синтез. За последние несколько лет в мире появилось около 20 частных компаний, которые занимаются разработкой коммерческого ядерного синтеза. В эту область было инвестировано многомиллиардное финансирование, в том числе на разработку ВТСП-проводов.

Сверхпроводящие провода (ВТСП-провода) применяются в различных областях. В медицине они используются для создания более совершенных аппаратов МРТ. С их помощью также можно обнаруживать новые лекарства при помощи ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

В физике ВТСП-провода применяют для создания высокопольных магнитов. Они также полезны в оборонной промышленности: с их помощью создают полностью электрические корабли и самолёты.

Большинство компаний по всему миру, производящих километровые высокоэффективные ВТСП-проволоки, используют технологические инновации, разработанные ранее Гоялом и его командой.

В интервью Гояла изданию Superconductor Week обсуждаются технологии RABiTS, IBAD и одновременного фазового разделения и самосборки под действием деформации.

Рекордная в мире плотность критического тока и сила прижатия

В этой работе группа Гояла сообщает о высокой производительности сверхпроводящих проводов на основе REBCO.

При температуре 4,2 кельвина провода могли пропускать ток плотностью 190 миллионов ампер на квадратный сантиметр без внешнего магнитного поля и 90 миллионов ампер при магнитном поле в 7 тесла.

Предполагается, что температура применения ядерного синтеза в коммерческих целях будет около 20 кельвинов. При такой температуре провода всё ещё могут проводить ток плотностью более 150 миллионов ампер без магнитного поля и более 60 миллионов ампер при 7 тесла.

При температуре 4,2 кельвина сегмент провода шириной 4 миллиметра проводит сверхток 1 500 ампер в самополе и 700 ампер при магнитном поле в 7 тесла. При 20 кельвинах — 1 200 и 500 ампер соответственно.

ВТСП-плёнка толщиной всего 0,2 микрона проводит ток, сравнимый с током коммерческих сверхпроводящих проводов с ВТСП-плёнкой почти в 10 раз толще.

Провода удерживают магнитные вихри с силой около 6,4 теранейтон на кубический метр при 4,2 кельвина и около 4,2 теранейтон при 20 кельвинах под воздействием магнитного поля в 7 тесла.

Это самые высокие значения плотности критического тока и силы прижатия, зарегистрированные на сегодняшний день. Диапазон рабочих температур — от 5 до 77 кельвинов.

Гоял отмечает, что результаты показывают возможность дальнейшего повышения производительности и снижения стоимости в оптимизированных коммерческих ВТСП проводах.

Как была изготовлена высокоэффективная проволока

На подложках по технологии (IBAD) MgO изготовили сегмент сверхпроводящей проволоки. В нём с помощью деформации одновременно происходит разделение и самосборка фаз. Это позволяет встраивать наноколончатые дефекты внутрь сверхпроводника на наноразмерных расстояниях. Эти нанодефекты сжимают сверхпроводящие вихри, что увеличивает сверхток.

Сочетание эффектов пиннинга от редкоземельного легирования, точечных дефектов кислорода и изолирующих наноколонок цирконата бария позволило достичь высокой критической плотности тока.

Плёнку HTS изготовили с помощью импульсного лазерного осаждения при тщательном контроле параметров осаждения.

При импульсном лазерном осаждении лазерный луч сжигает целевой материал, который в виде плёнки оседает на подложку.

Гоял рассказал, что они также изучили наноколонны и дефекты атомного масштаба с помощью современных микроскопов в Канадском центре электронной микроскопии при Университете Макмастера и измерили сверхпроводящие свойства в Университете Салерно в Италии.

07.08.2024