Do wytworzenia drutów HTS wykorzystano pulsacyjne osadzanie laserowe, podczas którego wiązka lasera usuwa materiał osadzający się na podłożu w postaci folii. Źródło: Uniwersytet w Buffalo
Nowe badania pokazują, że opłacalne wdrażanie na dużą skalę drutu nadprzewodzącego wysokotemperaturowego jest coraz bardziej wykonalne.
Przyszłość naszych systemów energetycznych może być kształtowana za pomocą drutów nadprzewodzących wysokotemperaturowych (HTS). Te zaawansowane materiały, zdolne do przesyłania energii elektrycznej bez oporu w wyższych temperaturach niż konwencjonalne nadprzewodniki, mają potencjał przekształcenia sieci elektrycznej i urzeczywistnienia komercyjnej syntezy jądrowej.
Jednak te zastosowania na dużą skalę nie zostaną zrealizowane, dopóki przewody HTS nie będą mogły być wyprodukowane po cenie i wydajności równej cenie zwykłego drutu miedzianego sprzedawanego w lokalnym sklepie z narzędziami.
Badania prowadzone przez New University w Buffalo przybliżają nas do tego celu. W badaniu opublikowanym w Komunikacja przyrodniczabadacze donoszą, że wyprodukowali najskuteczniejszy na świecie segment drutu HTS, znacznie poprawiając jednocześnie stosunek ceny do wydajności.
Oparte na tlenku miedzi baru i miedzi ziem rzadkich (REBCO) ich druty osiągnęły najwyższą krytyczną gęstość prądu i siłę unieruchamiającą – odpowiednio ilość przenoszonego prądu elektrycznego i zdolność do unieruchamiania wirów magnetycznych – zgłoszone dotychczas dla wszystkich pól magnetycznych i temperatur od od 5 kelwinów do 77 kelwinów.
Ten zakres temperatur jest nadal bardzo niski – od minus 451 stopni do minus 321 stopni Fahrenheita — ale wyższy od absolutne zero w jakim działają tradycyjne nadprzewodniki.
„Wyniki te pomogą poprowadzić przemysł w kierunku dalszej optymalizacji warunków osadzania i wytwarzania, aby znacznie poprawić stosunek ceny do wydajności w komercyjnych przewodnikach powlekanych” – mówi korespondent z badania, dr Amit Goyal, wybitny profesor SUNY i profesor innowacji SUNY Empire Innovation w Instytucie Katedra Inżynierii Chemicznej i Biologicznej w Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych UB. „Aby w pełni zrealizować liczne przewidywane zastosowania nadprzewodników na dużą skalę, konieczne jest zwiększenie korzystności stosunku ceny do wydajności”.
Druty HTS mają wiele zastosowań
Zastosowania drutów HTS obejmują wytwarzanie energii, takie jak podwajanie mocy generowanej z morskich generatorów wiatrowych; nadprzewodnikowe systemy magazynowania energii magnetycznej w skali siatki; przesył energii, taki jak bezstratny przesył mocy w wysokoprądowych liniach przesyłowych prądu stałego i przemiennego; oraz efektywność energetyczną w postaci wysokowydajnych nadprzewodzących transformatorów, silników i ograniczników prądu zwarciowego dla sieci.
Tylko jedno niszowe zastosowanie drutów HTS, komercyjna synteza jądrowa, ma potencjał wytwarzania nieograniczonej czystej energii. W ciągu zaledwie kilku lat na całym świecie założono około 20 prywatnych firm, których zadaniem było opracowanie komercyjnej syntezy jądrowej, a miliardy dolarów zainwestowano w rozwój drutów HTS wyłącznie do tego zastosowania.
Inne zastosowania drutów HTS obejmują MRI nowej generacji w medycynie, jądrowy rezonans magnetyczny nowej generacji (NMR) do odkrywania leków oraz magnesy o wysokim polu do licznych zastosowań w fizyce. Istnieją również liczne zastosowania w obronności, na przykład przy opracowywaniu w pełni elektrycznych statków i w pełni elektrycznych samolotów.
Obecnie większość firm na całym świecie produkujących kilometrowe, wysokowydajne druty HTS wykorzystuje jedną lub więcej innowacji technologicznych platformy opracowanych wcześniej przez Goyala i jego zespół.
Należą do nich technologia podłoży o dwuosiowej teksturze wspomaganej walcowaniem (RABiTS), technologia osadzania MgO wspomaganego wiązką jonów z wykorzystaniem LMOe (IBAD) oraz defekty nanokolumnowe w nanoskala odstępy dzięki jednoczesnej separacji faz i technologii samoorganizacji napędzanej naprężeniami.
Rekord świata w zakresie krytycznej gęstości prądu i siły unieruchamiającej
W niniejszej pracy opublikowanej w Nature Communications grupa Goyala donosi o ultrawysokiej jakości drutach nadprzewodzących na bazie REBCO.
Przy temperaturze 4,2 kelwina przewody HTS przewodziły 190 milionów amperów na centymetr kwadratowy bez zewnętrznego pola magnetycznego, znanego również jako pole własne, oraz 90 milionów amperów na centymetr kwadratowy przy polu magnetycznym o natężeniu 7 tesli.
W wyższej temperaturze wynoszącej 20 kelwinów – przewidywanej temperaturze stosowania komercyjnej syntezy jądrowej – druty mogą nadal przewodzić własne pole o natężeniu ponad 150 milionów amperów na centymetr kwadratowy i ponad 60 milionów amperów na centymetr kwadratowy przy napięciu 7 tesli.
Pod względem prądu krytycznego odpowiada to segmentowi drutu o szerokości 4 milimetrów przy 4,2 kelwina i nadprądzie o natężeniu 1500 amperów przy własnym polu i 700 amperów przy 7 teslach. Przy 20 kelwinach jest to 1200 amperów przy własnym polu i 500 amperów przy 7 teslach.
Warto dodać, że opracowana przez zespół folia HTS, mimo że ma zaledwie 0,2 mikrona grubości, może przewodzić prąd porównywalny z dostępnymi na rynku drutami nadprzewodzącymi, w których folia HTS jest prawie 10 razy grubsza.
Jeśli chodzi o siłę unieruchamiającą, druty wykazywały dużą zdolność do utrzymywania wirów magnetycznych unieruchomionych lub w miejscu, z siłami około 6,4 teranewtona na metr sześcienny przy 4,2 kelwina i około 4,2 teraniutona na metr sześcienny przy 20 kelwinach, oba pod napięciem magnetycznym 7 tesli pole.
Są to najwyższe wartości krytycznej gęstości prądu i siły unieruchamiającej odnotowane dotychczas dla wszystkich pól magnetycznych i temperatur roboczych od 5 do 77 kelwinów.
„Wyniki te pokazują, że nadal możliwa jest znaczna poprawa wydajności, a co za tym idzie, związana z tym redukcja kosztów, którą można potencjalnie osiągnąć w przypadku zoptymalizowanych, komercyjnych drutów HTS” – mówi Goyal.
Jak wytworzono drut o wysokiej wydajności
Segment drutu HTS został wytworzony na podłożach przy użyciu technologii (IBAD) MgO i wykorzystania defektów nanokolumnowych poprzez jednoczesną technologię separacji faz i samoorganizacji pod wpływem odkształcenia. Technologia samoorganizacji umożliwia osadzanie w nadprzewodniku izolujących lub nieprzewodzących nanokolumn w odstępach nan0-skali. Te nanodefekty mogą unieruchomić wiry nadprzewodzące, umożliwiając uzyskanie wyższych nadprądów.
„Wysoka krytyczna gęstość prądu była możliwa dzięki połączeniu efektów przypinania wynikających z domieszkowania pierwiastków ziem rzadkich, defektów punktu tlenowego oraz izolujących nanokolumn cyrkonianu baru i ich morfologii” – mówi Goyal.
„Folia HTS została wykonana przy użyciu zaawansowanego systemu osadzania za pomocą impulsowego lasera, po dokładnej kontroli parametrów osadzania” – dodaje Rohit Kumar, doktorant w Laboratorium Heteroepitaksjalnego Wzrostu Materiałów i Urządzeń Funkcjonalnych UB, którym kieruje Goyal.
W przypadku osadzania za pomocą impulsowego lasera wiązka lasera pada na materiał docelowy i usuwa materiał, który osadza się w postaci warstwy na odpowiednio umieszczonym podłożu.
„Przeprowadziliśmy także mikroskopię z rozdzielczością atomową przy użyciu najbardziej zaawansowanych mikroskopów w Kanadyjskim Centrum Mikroskopii Elektronowej na Uniwersytecie McMaster w celu scharakteryzowania defektów nanokolumnowych i w skali atomowej, a także przeprowadziliśmy pewne pomiary właściwości nadprzewodnictwa na Università di Salerno we Włoszech”, mówi Goyal .
Odniesienie: „Znacznie zwiększona krytyczna gęstość prądu i siła unieruchamiania w nanostrukturalnym, powlekanym przewodniku na bazie (RE)BCO” autorstwa A. Goyala, R. Kumara, H. Yuana, N. Hamady, A. Galluzziego i M. Polichettiego, 7 sierpień 2024, Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50838-4
Biuro Badań Marynarki Wojennej (ONR) wsparło te podstawowe badania mające na celu opracowanie doskonałych drutów HTS. Goyal jest głównym badaczem projektu.
