Super cienkie kable nadprzewodzące

Naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) znaleźli sposób na wykonanie wysokotemperaturowych nadprzewodzących kabli zasilających, które mają 1/10 średnicy istniejących kabli nadprzewodzących, ale mogą przenosić tyle samo prądu. Cienkie, elastyczne kable mogą otworzyć nowe zastosowania w przesyle energii elektrycznej i doprowadzić do powstania nowych, potężnych magnesów.

Cewka nadprzewodnika: Przekrój nowego typu wysokotemperaturowego kabla nadprzewodzącego pokazuje wielożyłowy rdzeń miedziany spiralnie nawinięty taśmami nadprzewodnikowymi.

Kable mogą stanowić lekki, kompaktowy zamiennik miedzianych kabli zasilających, mówi badacz NIST Dziękuję van der Laan , który kierował pracą. Magnesy nadprzewodzące wykonane za pomocą kabli generowałyby znacznie wyższe pola magnetyczne niż jest to możliwe obecnie. Tak wysokie pola byłyby przydatne w fizyce wysokich energii oraz w terapiach protonowych stosowanych w leczeniu raka.

Nadprzewodniki przewodzą duże prądy elektryczne, nie nagrzewając się ani nie tracąc mocy, gdy są chłodzone. Magnesy nadprzewodzące znajdujące się w urządzeniach do obrazowania medycznego i akceleratorach cząstek zwykle wykorzystują stopy niobu, które przekształcają nadprzewodnictwo poniżej 10 K (-263°C). Jednak niektóre związki złożone z pierwiastków ziem rzadkich, baru, miedzi i tlenu również stają się nadprzewodnikami w wyższych temperaturach powyżej 70 K (-203°C), w którym to momencie można je schłodzić za pomocą ciekłego azotu lub gazowego helu.

Wysokotemperaturowe kable nadprzewodnikowe są reklamowane jako obiecująca alternatywa dla kabli miedzianych do przesyłu energii elektrycznej w środowiskach miejskich i niewielkich przestrzeniach. Dzieje się tak, ponieważ tylko jeden kabel nadprzewodzący może zastąpić ponad 10 kabli miedzianych, zmniejszając wagę o ponad 95 procent i eliminując straty ciepła.

Nadprzewodnikowe kable zasilające kriogeniczne są zwykle wykonywane przy użyciu taśm nadprzewodzących owiniętych wokół litych lub pustych rdzeni metalowych. Taśmy są cienkimi paskami metalu pokrytymi mikrometrową warstwą nadprzewodnika i warstwami ceramicznych izolatorów. Kable nadprzewodzące były ostatnio używane w demonstracjach małych sieci energetycznych. Na przykład w 2006 roku w podstacji użyteczności publicznej w Columbus w stanie Ohio zainstalowano kabel na bazie bizmutu. Ma średnicę siedmiu centymetrów i może przenosić 3000 amperów.

Dla porównania, van der Laan stworzył kabel o szerokości 7,5 milimetra, który może przenosić 2800 amperów. Drugi ma 6,5 ​​milimetra średnicy i może przenosić 1200 amperów. Kable można zginać wokół kabla o średnicy mniejszej niż ćwierć metra.

Van der Laan zaczyna się od rdzenia wykonanego z wielu miedzianych pasm osłoniętych nylonową izolacją. Następnie nawija wokół rdzenia taśmy nadprzewodzące wykonane z miedzianu gadolinu baru w naprzemiennych kierunkach. Jego wyniki eksperymentalne zostały niedawno opublikowane online w czasopiśmie Nauka i technologia nadprzewodników .

Konwencjonalne kable nadprzewodnikowe są lżejsze niż te wykonane z miedzi, ale nadal są tak ciężkie, że trzeba je zakopać pod ziemią, mówi van der Laan. Naukowcy szukają możliwości wykorzystania ich jako linii napowietrznych zamiast podziemnych, mówi, ale konwencjonalne kable są zbyt ciężkie, aby używać ich napowietrznych. Jedną z zalet naszych kabli jest to, że są znacznie lżejsze.

Do tej pory zakładano, że nie da się zrobić tak cienkich kabli nadprzewodzących, mówi Venkat Selvamanickam , profesor inżynierii mechanicznej i ekspert ds. nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego na Uniwersytecie w Houston. Obawiano się, czy taśmy dadzą się zginać na rdzeniach o tak małej średnicy i nadal bez uszkodzeń utrzymać wysoką obciążalność prądową.

David larbalestier , naukowiec z National High Magnetic Field Laboratory w Tallahassee na Florydzie, mówi, że nowe kable są doskonałym przykładem dobrej inżynierii. Nie ma tu nowej nauki o rakietach. Do wykonania kabla zastosowali doskonale standardowe techniki. Larbalestier nie sądzi jednak, że nowe kable z łatwością znajdą drogę do przesyłu energii. Wiele osób chciałoby użyć nadprzewodników wysokotemperaturowych, aby zrewolucjonizować przemysł elektroenergetyczny, mówi. Ale przemysł jest stosunkowo konserwatywny i nie jest przyzwyczajony do kriogeniki. Z drugiej strony, wielki, wielomiliardowy rynek nadprzewodników wytwarza magnesy, które zużywają bardzo mało energii.

Dzisiejsze magnesy nadprzewodzące zawierają druty niobowo-tytanowe nawinięte w cewki, które mogą zapewnić co najwyżej 25 tesli magnetycznego pola. Magnesy wykonane przy użyciu nowych wysokotemperaturowych kabli nadprzewodzących mogą generować wyższe pola, potencjalnie wymagając mniej energii do chłodzenia. .

Niska waga i elastyczność są szczególnie atrakcyjne dla wojska jako zamiennik dla nieporęcznych kabli miedzianych, które przenoszą duże ilości energii z generatorów po broń i urządzenia na pokładach samolotów i statków. Jeśli spojrzysz na wymianę standardowych kabli miedzianych na statku marynarki wojennej, musisz być w stanie przeciągnąć kabel przez istniejące kanały z wieloma ostrymi zakrętami, mówi van der Laan. Teraz robi kabel demonstracyjny dla armii amerykańskiej. Badacze w CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych) w Szwajcarii jest również zainteresowana wykorzystaniem cienkich kabli do dostarczania kilku tysięcy amperów prądu do magnesów używanych w Wielki Zderzacz Hadronów .

ukryć