Для обеззараживания ВТСП-проводов использовалось импульсное лазерное напыление, при котором лазерный луч удаляет материал, нанесенный в виде пленки на подложку. Фото: Университет Буффало
Наша будущая энергия может зависеть от высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводов. Способность этой технологии переносить электричество без сопротивления при температурах выше, чем те, которые требуются традиционным сверхпроводникам, может произвести революцию в электросетях и даже сделать возможным коммерческий ядерный синтез.
Однако эти крупномасштабные приложения не появятся, пока ВТСП провода не смогут быть изготовлены по метрике цена-производительность, равной метрике обычной медной проволоки, продаваемой в вашем местном хозяйственном магазине.
Исследования, проводимые Новым университетом в Буффало, приближают нас к этой цели. В исследовании, опубликованном в Nature CommunicationsИсследователи сообщают, что им удалось изготовить самый высокопроизводительный в мире сегмент провода ВТСП, при этом значительно улучшив соотношение цены и производительности.
На основе редкоземельного оксида бария и меди (REBCO) их провода достигли самой высокой критической плотности тока и силы закрепления — величины переносимого электрического тока и способности закреплять магнитные вихри соответственно — зарегистрированных на сегодняшний день для всех магнитных полей и температур от 5 до 77 кельвинов.
Этот температурный диапазон по-прежнему чрезвычайно холодный — от минус 451 градуса до минус 321 градуса по Фаренгейту, — но выше абсолютного нуля, при котором работают традиционные сверхпроводники.
«Эти результаты помогут направить промышленность к дальнейшей оптимизации условий осаждения и изготовления, чтобы значительно улучшить метрику цена-производительность в коммерческих покрытых проводниках», — говорит корреспондент исследования Амит Гойал, доктор философии, заслуженный профессор SUNY и профессор инноваций SUNY Empire на кафедре химической и биологической инженерии в Школе инженерии и прикладных наук UB. «Необходимо сделать метрику цена-производительность более благоприятной для полной реализации многочисленных крупномасштабных предполагаемых применений сверхпроводников».
Провода HTS имеют множество применений
Применение проводов HTS включает производство энергии, например, удвоение мощности, вырабатываемой морскими ветрогенераторами; сетчатые сверхпроводящие магнитные системы хранения энергии; передача энергии, такая как передача мощности без потерь в сильноточных линиях передачи постоянного и переменного тока; и энергоэффективность за счет высокоэффективных сверхпроводящих трансформаторов, двигателей и ограничителей тока повреждения для сети.
Только одно нишевое применение проводов HTS — коммерческий ядерный синтез — имеет потенциал для генерации безграничной чистой энергии. Только за последние несколько лет в мире было основано около 20 частных компаний для разработки коммерческого ядерного синтеза, и миллиарды долларов были инвестированы в разработку проводов HTS только для этого применения.
Другие применения проводов HTS включают следующее поколение МРТ для медицины, следующее поколение ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для открытия лекарств и магниты с высоким полем для многочисленных физических приложений. Существуют также многочисленные оборонные приложения, такие как разработка полностью электрических судов и полностью электрических самолетов.
В настоящее время большинство компаний по всему миру, производящих высокопроизводительные HTS-проволоки длиной в километр, используют одну или несколько технологических инноваций, разработанных ранее Гоялом и его командой.
К ним относятся подложки с двухосной текстурой с помощью прокатки (RABiTS). технология ионно-лучевого осаждения (IBAD) MgO с поддержкой LMOe и наностолбчатые дефекты на наноразмерных расстояниях за счет одновременного разделения фаз и технологии самосборки под действием деформации.
Мировой рекорд критической плотности тока и сила закрепления
В настоящей работе сообщается в Nature Communications, группа Гояла сообщает о сверхвысокопроизводительных сверхпроводящих проводах на основе REBCO.
При 4,2 кельвина провода HTS пропускали 190 миллионов ампер на квадратный сантиметр без какого-либо внешнего магнитного поля, а также известное как собственное поле, и 90 миллионов ампер на квадратный сантиметр с магнитным полем в 7 тесла.
При более высокой температуре в 20 Кельвинов — предполагаемой температуре применения для коммерческого ядерного синтеза — провода все еще могут переносить более 150 миллионов ампер на квадратный сантиметр собственного поля и более 60 миллионов ампер на квадратный сантиметр при 7 тесла.
С точки зрения критического тока это соответствует отрезку провода шириной 4 миллиметра при 4,2 Кельвина, имеющему сверхток 1500 ампер в собственном поле и 700 ампер при 7 тесла. При 20 Кельвинах это 1200 ампер в собственном поле и 500 ампер при 7 тесла.
Стоит отметить, что разработанная командой ВТС-пленка, несмотря на то, что ее толщина составляет всего 0,2 микрона, может проводить ток, сравнимый с током коммерческих сверхпроводящих проводов с ВТС-пленкой почти в 10 раз толще.
Что касается силы закрепления, провода показали сильная способность удерживать магнитные вихри закрепленными или на месте с силой около 6,4 тераньютона на кубический метр при 4,2 Кельвина и около 4,2 тераньютона на кубический метр при 20 кельвинах, оба под магнитным полем 7 тесла.
Это самые высокие на сегодняшний день значения критической плотности тока и силы закрепления для всех магнитных полей и рабочих температур от 5 до 77 кельвинов.
«Эти результаты показывают, что все еще возможно значительное повышение производительности и, следовательно, соответствующее снижение стоимости, которое потенциально может быть реализовано в оптимизированных коммерческих ВТСП-проводах», — говорит Гоял.
Как был изготовлен высокопроизводительный провод
Сегмент провода HTS был изготовлен на подложках с использованием технологии (IBAD) MgO и с использованием наноколончатых дефектов посредством одновременного разделения фаз и технологии самосборки под действием деформации. Технология самосборки позволяет внедрять изолирующие или несверхпроводящие наноколонны на наномасштабных расстояниях внутри сверхпроводника. Эти нанодефекты могут закреплять сверхпроводящие вихри, обеспечивая более высокие сверхтоки.
«Высокая критическая плотность тока стала возможной благодаря сочетанию эффектов закрепления от легирования редкоземельными элементами, дефектов кислородных точек и изолирующих наноколонн цирконата бария и их морфологии», — говорит Гоял.
«Пленка HTS была изготовлена с использованием усовершенствованной системы импульсного лазерного осаждения с тщательным контролем параметров осаждения», — добавляет Рохит Кумар, научный сотрудник Лаборатории гетероэпитаксиального роста функциональных материалов и устройств UB, которой руководит Гоял.
При импульсном лазерном осаждении лазерный луч падает на целевой материал и удаляет материал, который осаждается в виде пленки на соответствующим образом размещенной подложке.
«Мы также провели микроскопию с атомным разрешением, используя самые современные микроскопы в Канадском центре электронной микроскопии в Университете Макмастера для характеристики наноколончатых и атомных дефектов, а также провели некоторые измерения сверхпроводящих свойств в Университете Салерно в Италии», — говорит Гоял.
Дополнительная информация: Сверхвысокая критическая плотность тока и сила закрепления в наноструктурированных сверхпроводящих покрытиях на основе REBCO Дирижер, Nature Communications (2024).
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено Университетом Буффало
