Medžiagų mokslas super power
5 (100%) 1 vote

Medžiagų mokslas super power

U.(BALU)BALACHANDRAN

Argonne nacionalinė laboratorija

Viešintis redaktorius, specialusis reportažas

Specialusis reportažas

Super energija

Progresas vystant naujus energijai pritaikomus superlaidininkus yra greitesnis nei buvo tikėtasi; jo prototipai pralenkia planuotus tikslus

Superlaidininkai yra naudojami elektros energijos sistemose jau daugiau nei 30 metų. Tai daroma ne be priežasties. Iš esmės, šios medžiagos gali būti naudojamos kompaktiškesnių ir našesnių įrenginių gamybai ir energijos transportavimo bei saugojimo sistemų našumo didinimui, darant tai aplinkai palankesniu būdu.

Įprastiniai “žemos temperatūros” superlaidininkai, kurie veikia tik temperatūroje, artimoje absoliučiam nuliui, buvo naudojami tokiems įrenginiams kaip varikliai, generatoriai, transmisijos kabeliai ir srovės trukdžių ribotuvai. Tačiau brangus skysto helio aušinimas, reikalingas palaikyti žemesnei nei 4 K temperatūrai, trukdė universaliai juos naudoti bei paversti pelno šaltiniu. 1986m. susidomėjimas jais atgijo atradus taip vadinamus aukštos temperatūros superlaidininkus (ATS) –vario oksido junginius, laidžius maždaug 77K temperatūroje, kurią galima palaikyti daug pigesniu skystu azotu. Nuo tada šių medžiagų vystymasis vyksta greitu tempu.

Pagal pernai gegužę Japonijoje vykusio Penktojo tarptautinio superlaidumo pramonės apogėjaus (ISS-5) susirinkimo projektą, iki 2020m. pasaulinis superlaidininkų pagrindu pagamintų produktų pardavimas gali pasiekti 120 bilijonų USD sumą. Cituojant Gregory Yurek, Amerikos superlaidininkų korporacijos įsteigėją-prezidentą, tai apims panaudojimą telekomunikacijoms bei elektros energijai, kas kartu galėtų sudaryti “megasrovę”.

Kadangi tikimasi didelio jų poveikio elektros industrijai ir tiesioginiams elektros energijos vartotojams, JAV Energijos departamentas, Gynybos departamentas ir kitos federalinės agentūros aktyviai remia ATS medžiagų tyrinėjimą bei vystymą. Biudžetiniais 1995 metais JAV vyriausybė žemos ir aukštos temperatūros laidininkų tyrinėjimui bei vystymui išleido apytikriai 210 milijonų USD. Šių programų tikslas yra technologijas išvystyti iki lygio, leidžiančio panaudoti jas komercinėms reikmėms.

Atitinkamai, Energijos departamentas pradėjo Superlaidumo partnerystės iniciatyvos (SPI) programą, kurios pagalba buvo įsteigtos sąjungos su nacionalinėmis laboratorijomis, universitetais ir privačia industrija. Kaip svarbiausia valstybinė programa siekiant sukomercinti ATS technologijas, I-moje fazėje, prasidėjusioje 1994m., ji gavo 12 milijonų USD finansavimą. Atsižvelgiant į industriją, maždaug 9 milijonus USD suteikia departamentas.

Šis I-mosios fazės finansavimas po 1993m. sausį paskelbto konkurso atiteko keturioms industrinėms komandoms, savo dėmesį sutelkusioms į keturis ATS produktus. Pramonei esant atsakingai už pradinių stereotipų demonstravimą, universitetai bei valstybinės laboratorijos yra finansiškai skatinamos vykdyti ilgalaikį tyrinėjimą ir vystymą.

Į pirmą industrinę komandą, surinktą dirbti su srovės trukdžių ribotuvais ir vadovaujama Lockheed Martin, įėjo Los Alamos nacionalinė laboratorija, Pietų Kalifornijos Edison ir American Superconductor (pastaroji iškrito). Antroji komanda tobulina superlaidžius generatorius, siekdama sumažinti elektros kainas ir tarnauti pasaulinei 30 bilijonų USD rinkai. Iš pradžių dirbant su generatoriais lyderiavo General Electric. Į komandą buvo įtrauktas Elektros Energijos Tyrimų Institutas (EPRI), Intermagnetics General korporacija, Niujorko valstijos Superlaidumo institutas, Niujorko valstijos Energijos tyrinėjimo ir vystymo vyresnybė, Niagaros Mohawk Energija it trys nacionalinės laboratorijos – Argonne, Oak Ridge ir Los Alamos.

Trečioji SPI komanda, surinkta kurti superlaidžiuosius variklius, vadovaujama Reliance Electric, buvo sudaryta iš American Superconductor, Centerior Energy, EPRI ir Sandia nacionalinių laboratorijų. Pagal Reliance tyrimus, dideli pramoniniai varikliai suvartoja beveik 30 procentų Jungtinėse Valstijose pagamintos elektros, ir šiuo metu sudaro 300 milijonų dolerių rinką.

Ketvirtosios komandos tikslas yra vystyti dviejų tipų ATS energijos kabelių sistemas. Šiaurės Amerikos Pirelli Cables, American Superconductor, EPRI ir Los Alamosdirba dirba su švino kabeliais ir koaksialiais kabeliais. Pirmasis tipas, kaip galima spręsti iš pavadinimo, bus įtrauktas į jau egzistuojančius kanalus ir pakeis vario kabelius, kurie yra susidėvėję arba žemesnio pajėgumo. Antrieji, koaksialieji kabeliai, visų pirma tarnaus požeminėms instaliacijoms už JAV ribų.

Jei šios pastangos pasiteisins, elektros energijos tiekėjai pasipelnys iš aukštesnės kokybės transmisijos kabelių ir kompaktiškesnių bei pajėgesnių variklių ir generatorių. Ypač svarbūs energijos kiekiai bus sutaupyti kai vario kabeliai užleis vietą aukšto pajėgumo, mažesnio nuostolingumo superlaidiems laidams. Varikliai ir generatoriai su super-laidais praras perpus mažiau energijos nei jų analogai su vario laidais.

Ilgos bismuto (BSCCO-2223) superlaidininko atkarpos [žr.piešinį 45 psl.] I fazės SPI programoje naudojamos prototipiniams produktams. Šie laidai gaminami miltelių vamzdelyje (PIT) technologija: superlaidininko pirmtako milteliai supakuojami į gryno sidabro ar sidabro lydinio vamzdelius ir mechaniškai
deformuojami tempiant ir valcuojant, kol gaunamos ilgos vielos atkarpos. Viela termiškai apdorojama, kad pavirstų į superlaidininką.

Tokia viela buvo panaudota prototipiniame variklyje, srovės trukdžių ribotuve, kabelyje ir generatoriaus ritėje. Visi šie prototipai sumušė pasaulio rekordą, ar bent jau toli pralenkė planuotus tikslus. Pavyzdžiui, variklio projektuotojai siekė 125 hp galios, o gavo 150kW, 60% didesnę nei planavo pradžioje. Transmisijos kabelio projekte planuotas 30m.,1200-A vienfazis kabelis, virto 50m., 1800-A kabeliu. Generatorius pasiekė rekordą su didžiausia ATS lenktynių rite (40 000 A-apvijų).

Variklis ir srovės trukdžių ribotuvas buvo pasirinkti II fazei biudžetiniais 1997m. Pagal šią programą, Reliance Electrics komanda 1998m.turi pagaminti 740 kW , o 2000m. išbandyti 3700 kW variklį. Lockheed Martin komanda, į kurią įeina Pietų Kalifornijos Edison, Intermagnetics General ir Los Alamos nacionalinė laboratorija, 1998m. išbandys 15 kV, 20-kA klasės prototipinį srovės trukdžių ribotuvą.

BSCCO (tariama bisko) laidai, naudojami SPI projektuose, duoda neblogų rezultatų. Tačiau jų panaudojimo galimybės stambiuose elektros įrenginiuose yra gana ribotos dėl jautrumo magnetiniams laukams. Daugelyje didelių gabaritų prietaisų, kuriuose numatyti ATS, šie laukai yra būtini sistemos veikimui. Jei išorinis magnetinis laukas pakankamai stiprus, jis gali pasiekti superlaidininką pavieniais srautais ar sūkuriais. ATS atlaiko išorinius laukus neprarasdami superlaidininko savybių tol, kol šių srovių linijos pastovios. Tačiau kai naudojama elektros energija, srautų linijos juda, “šliaužia”, sukeldamos energijos eikvojimą. Srauto šliaužimas taip pat vyksta kai esant magnetiniam laukui padidėja darbinė temperatūra.

Variklių, generatorių ir srovės trukdžių ribotuvų prietaisuose ATS rites veikia stipresni nei 1 teslo magnetiniai laukai. Dėl srauto šliaužimo, naudojant PIT apdirbimo laidą ar juostą, darbo temperatūra pakils virš 30 K. Bandant apeiti šią problemą, tiriamos įvairios metalurginės technikos, tokios kaip smulkios skalės mikrostruktūrinių defektų įvedimas (suporinimas, inkliuzijos ir kt.), ar medžiagos švitinimas formuojant stulpelinius defektus. Tikimasi, kad tokie mikrostruktūriniai nevienarūšiškumai “prisegs” srautų linijas pozicijoje, ribojančioje jų polinkį išlydžiui. Pakeitimai, paremti išradingais medžiagų projektavimo būdais, jau davė puikių rezultatų trumpiems laidams. Ar šios technologijos bus praktiškos ir ekonomiškai palankios ilgų laidų gamyboje, dar reikia pažiūrėti.

Įdomios naujos perspektyvos atsivėrė vystant aukštuose laukuose veikiančių ATS laidininkų gaminimo technologijas. Dvi JAV laboratorijos pratęsė novatorišką Japonijos darbą (žr. IEEE Spectrum, sausis, 38 psl.): Los Alamos ištobulino vadinamą depozicijos jono spindulių pagalba metodą (IBAD); Oak Ridge – pagamino dviašės tekstūros valcuotus substratus (RABiTS). Tai suteikia galimybę pagerinti pluošto ribą ir srovės “prisegimo” efektą storiems ATS sluoksniams, dengiantiems lankstaus metalo substratus. Abiem metodais buvo gauti dviašės (vienkristalio tipo) itrio-bario-vario oksido struktūros (YBCO, ar ipko) superlaidininkai, kurių kritinis srovės tankis trumpuose pavyzdžiuose azoto temperatūroje yra netoli 1 M/cm2 . Tačiau tam, kad šie nauji procesai galėtų varžytis su PIT apdirbimo laidais ilgų atkarpų superlaidininkų gamyboje, prireiks dar keleto metų.

Šalia keturių SPI projektų, industrinės komandos ėmė kurti planus su transformatoriais, smagračiais, magnetinės separacijos sistemomis, jau neminint naujų transmisijos kabelių projektų. Waukesha Electric Systems ir Intermagnetics General korporacijos susijungė į komandą su Rochester Gas and Electric ir Oak Ridge laboratorija, siekdamos tobulinti vienfazį 1 MVA transformatorių, dirbantį 20-50 K temperatūroje. Šio transformatoriaus ritės padarytos iš aplietų BSCCO-2212 superlaidininkų.

Šiuo metu Jūs matote 31% šio straipsnio.
Matomi 1241 žodžiai iš 4028 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.