211service.com
Supertunna supraledande kablar
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har hittat ett sätt att tillverka supraledande kraftkablar för hög temperatur som är en tiondel av diametern på befintliga supraledande kablar men som kan bära lika mycket ström. De tunna, flexibla kablarna kan öppna upp för nya applikationer inom elektrisk kraftöverföring och kan leda till kraftfulla nya magneter.
Superledarspole: Tvärsnittet av en ny typ av högtemperatursupraledande kabel visar en flertrådig kopparkärna spirallindad med supraledande tejper.
Kablarna skulle kunna ge en lätt, kompakt ersättning för kopparströmkablar, säger NIST-forskare Tack van der Laan , som ledde arbetet. Supraledande magneter gjorda med kablarna skulle generera mycket högre magnetfält än vad som är möjligt idag. Sådana höga fält skulle vara användbara för högenergifysik och för protonterapier som används vid cancerbehandling.
Supraledare leder höga elektriska strömmar utan att värmas upp eller förlora ström när de kyls. De supraledande magneterna som finns i medicinska bildapparater och partikelacceleratorer använder vanligtvis nioblegeringar som gör supraledande under 10 K (-263 °C). Men vissa föreningar gjorda av sällsynta jordartsmetaller, barium, koppar och syre blir också supraledande vid högre temperaturer på över 70 K (-203 °C), då de kan kylas med flytande kväve eller heliumgas.
Supraledande kablar för hög temperatur har pekats ut som ett lovande alternativ till kopparkablar för elektrisk kraftöverföring i urbana miljöer och kompakta utrymmen. Det beror på att bara en supraledande kabel kan ersätta mer än 10 kopparkablar, minska vikten med över 95 procent och eliminera värmeförluster.
Kryogena supraledande kraftkablar tillverkas vanligtvis med hjälp av supraledande tejper lindade runt solida eller ihåliga metallkärnor. Banden är tunna remsor av metall belagda med ett mikrometertjockt lager av supraledare och filmer av keramiska isolatorer. Supraledande kablar har nyligen använts i små kraftnätsdemonstrationer. En vismutbaserad kabel installerades till exempel vid en transformatorstation i Columbus, Ohio, 2006. Den har en diameter på sju centimeter och kan bära 3 000 ampere.
Som jämförelse har van der Laan gjort en 7,5 millimeter bred kabel som kan bära 2 800 ampere. En annan är 6,5 millimeter i diameter och kan bära 1 200 ampere. Kablarna kan böjas runt en kabel med en diameter på mindre än en kvarts meter.
Van der Laan börjar med en kärna gjord av flera koppartrådar som är mantlade i nylonisolering. Sedan lindar han supraledande tejper gjorda av gadoliniumbariumkuprat i alternerande riktningar runt kärnan. Hans experimentella resultat publicerades nyligen online i tidskriften Supraledare vetenskap och teknik .
Konventionella supraledande kablar är lättare än de som är gjorda av koppar, men de är fortfarande så tunga att de måste grävas ner under jord, säger van der Laan. Forskare tittar på alternativ för att använda dem som luftledningar istället för under jord, säger han, men konventionella kablar har varit för tunga för att använda luftledningar. En fördel med våra kablar är att de är mycket lättare.
Fram till nu har man antagit att man inte kunde göra supraledande kablar så tunna, säger man Venkat Selvamanickam , en mekanisk ingenjörsprofessor och högtemperatursupraledningsexpert vid University of Houston. Problemet var om banden kunde böjas vid kärnor med så liten diameter och ändå bibehålla hög strömkapacitet utan att skadas.
David larbalestier , en forskare vid National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida, säger att de nya kablarna är ett perfekt exempel på bra ingenjörskonst. Det finns ingen ny raketvetenskap här. De har tillämpat helt standardtekniker för att göra en kabel. Larbalestier tror dock inte att de nya kablarna lätt kommer att hitta vägen till kraftöverföring. Många människor skulle älska att använda högtemperatursupraledare för att revolutionera elkraftsindustrin, säger han. Men branschen är relativt konservativ och inte van vid kryogenik. Å andra sidan tillverkar den stora mångmiljardmarknaden för supraledare magneter som förbrukar väldigt lite ström.
Dagens supraledande magneter innehåller niob-titan-trådar lindade till spolar som kan ge högst 25 Tesla-magnetfält. Magneter tillverkade med de nya supraledande kablarna för hög temperatur kan ge högre fält samtidigt som de potentiellt kräver mindre ström för kylning. .
Den låga vikten och flexibiliteten är särskilt tilltalande för militären som en ersättning för de skrymmande kopparkablarna som transporterar stora mängder kraft från generatorer till vapen och enheter ombord på flygplan och fartyg. Om man tittar på att ersätta vanliga kopparkablar på ett marinfartyg måste man kunna dra kabeln genom befintliga ledningar med många skarpa böjar, säger van der Laan. Han gör nu en demonstrationskabel för den amerikanska militären. Forskare vid CERN (European Organization for Nuclear Research) i Schweiz är också intresserade av att använda de tunna kablarna för att mata de flera tusen ampere ström till magneterna som används vid Stor Hadron Collider .