Yüksek sıcaklıkta süper iletken (HTS) kabloların kullanımı gelecekte enerji ihtiyacımızı belirleyebilir. Potansiyel olarak ticari nükleer füzyonu mümkün kılan ve elektrik şebekesini yeniden şekillendiren bu teknoloji, geleneksel süper iletkenlerin ihtiyaç duyduğundan daha yüksek sıcaklıklarda direnç olmadan elektrik taşıyabilir.
Ancak bu yaygın kullanımlar, HTS telleri nalburlarda bulunan yaygın bakır tellerle karşılaştırılabilir bir maliyet etkinliği düzeyinde seri olarak üretilinceye kadar gerçekleşmeyecektir. Bugüne kadar yapılmış en gelişmiş süper iletken tel segmenti bir ekip tarafından üretildi.
Buffalo’daki New University’den araştırmacılar bu yönde adımlar atıyor. Nature Communications, araştırmacıların dünyadaki en verimli HTS tel kesitini oluşturduklarını ve aynı zamanda fiyat-performans oranını iyileştirdiklerini bildirdi.
Nadir toprak baryum bakır oksitten (REBCO) yapılan teller, manyetik alanlar ve 5 kelvin ile 77 kelvin arasında değişen sıcaklıklar için şimdiye kadar kaydedilen en yüksek kritik akım yoğunluğuna ve sabitleme kuvvetine sahip. Kritik akım yoğunluğu, taşınan elektrik akımı miktarıdır; sabitleme kuvveti ise manyetik girdapları sabitleme yeteneğidir.
Geleneksel süperiletkenlerin çalıştığı mutlak sıfırdan daha soğuk olmasına rağmen, bu sıcaklık aralığı (-451 ila -321 Fahrenheit derece) hala çok yüksektir.
UB Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Fakültesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü’nde SUNY Seçkin Profesörü ve SUNY Empire İnovasyon Profesörü olan ve çalışmanın sorumlu yazarı Amit Goyal’a göre bu bulgular, endüstriyi biriktirme ve üretim koşullarının daha fazla optimizasyonuna yönlendirerek ticari kaplamalı iletkenlerde fiyat-performans metriğini sürekli olarak iyileştirmede yardımcı olacaktır. “Süper iletkenlerin öngörülen çok sayıda büyük ölçekli uygulamasını tam olarak gerçekleştirmek için fiyat-performans metriğini daha uygun hale getirmek gerekiyor.”
Yüksek sıcaklıkta süper iletken tellerin kullanım alanı
Enerji sektöründe yüksek sıcaklıkta yarı iletken (HTS) teller için çeşitli kullanım alanları bulunmaktadır. Açık deniz rüzgar jeneratörlerinden iki kat daha fazla güç üretmek, bu gücü şebeke ölçeğinde süper iletken manyetik enerji depolama sistemlerinde depolamak, bu gücü yüksek akımlı DC ve AC iletim hatlarında kayıpsız olarak iletmek ve süper iletken motorlar, transformatörler ve arıza akımı sınırlayıcıları ile şebeke verimliliğini artırmak için kullanılabilirler.
HTS tellerinin sadece tek bir özel kullanımıyla üretilen sonsuz bir temiz enerji kaynağı olabilir: ticari nükleer füzyon. Dünya çapında, son birkaç yıl içinde yalnızca ticari nükleer füzyon teknolojisi geliştirmek amacıyla 20 kadar özel işletme kurulmuştur. Özellikle bu uygulama için HTS telleri milyarlarca dolar yatırım almıştır.
Ayrıca, HTS telleri yüksek alan mıknatıslarında, ilaç keşfi için yeni nesil nükleer manyetik rezonansta (NMR) ve tıbbi amaçlar için yeni nesil manyetik rezonans görüntülemede (MRI) çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Tamamen elektrikli gemi ve uçakların araştırılması ve geliştirilmesi de dahil olmak üzere çok sayıda askeri kullanım alanı da bulunmaktadır.
Şu anda, dünya çapında bir kilometre uzunluğunda yüksek performanslı HTS telleri üreten işletmelerin çoğu, Goyal ve meslektaşlarının daha önce öncülük ettiği platform teknolojisi iyileştirmelerinden en az birinden yararlanmaktadır.
Bu teknolojilere örnek olarak, haddeleme destekli çift eksenli dokulu alt tabakalar anlamına gelen RABiTS, magnezyum oksidin iyon ışını destekli biriktirilmesi anlamına gelen IBAD ve faz ayrımı ve gerinim güdümlü kendi kendine montajın bir kombinasyonu kullanılarak nano ölçekli aralıklarda oluşturulan nanokolumnar kusurlar verilebilir.
Sabitleme kuvveti ve kritik akım yoğunluğu yeni bir dünya rekoru kırdı
Nature Communications’da yayınlanan mevcut çalışma, Goyal’ın grubunun son derece yüksek performans sergileyen REBCO tabanlı süper iletken teller üzerindeki çalışmalarını detaylandırıyor.
HTS telleri, 4,2 kelvin sıcaklıkta harici manyetik alan olmadan (bazen öz alan olarak adlandırılır) 190 mA/cm² ve 7 tesla manyetik alanla 90 mA/cm² taşıyabilir.
Teller, ticari nükleer füzyon için hedef sıcaklık olan 20 kelvinde 150 milyon amper/santimetrekareden fazla ve 7 tesla’da 60 milyon amper/santimetrekareden fazla öz alan akımları taşıyabilir.
Bu, 4,2 kelvinde, kritik akım ölçümlerine dayanarak, kendi alanında 1.500 amper ve 7 tesla’da 700 amperlik bir süper akıma sahip 4 milimetre genişliğinde bir tel kesitine eşdeğerdir. Hem öz alan hem de 7 tesla değerleri sırasıyla 20 kelvin’de 1.200 amper ve 500 amperdir.
Ekibin sadece 0,2 mikron kalınlığındaki HTS filmi, neredeyse on kat daha kalın HTS filmine sahip ticari süper iletken tellerle aynı seviyede bir akım taşıyabiliyor.
Her ikisi de 7 tesla manyetik alanda ölçülen, 4,2 kelvinde metreküp başına yaklaşık 6,4 teranewton ve 20 kelvinde metreküp başına yaklaşık 4,2 teranewton sabitleme kuvvetleri ile teller, manyetik girdapları sabitleme veya tutma konusunda güçlü bir yetenek sergilemiştir.
Tüm manyetik alanlarda ve 5 kelvin ila 77 kelvin arasındaki çalışma sıcaklıklarında, bunlar bugüne kadar belgelenmiş en yüksek sabitleme kuvveti ve kritik akım yoğunluğu değerleridir.
Goyal, bu bulguların önemli performans iyileştirmelerinin hala ulaşılabilir olduğunu ve geliştirilmiş ticari HTS tellerinin buna karşılık gelen maliyet düşüşünü sağlayabileceğini gösterdiğini iddia ediyor.
Yüksek performanslı süper iletken tel için üretim süreci
Eşzamanlı faz ayırma ve gerinim güdümlü kendi kendine montaj kombinasyonuyla oluşturulan nanokolumnar kusurları kullanılarak, HTS tel segmenti (IBAD) MgO teknolojisini kullanan alt tabakalar üzerinde oluşturulmuştur. Süper iletken içinde nano ölçekli aralıklar kullanarak, kendi kendine montaj yöntemi yalıtkan veya süper iletken olmayan nano sütunlara dahil edilmeyi sağlar. Bu nano kusurlar süper iletken girdapları sabitlediğinde daha yüksek süper akımlar mümkündür.
Goyal, yalıtkan baryum zirkonat nanokolonlarının ve morfolojilerinin, oksijen noktası kusurları ve nadir toprak katkısının neden olduğu sabitleme etkileriyle birlikte yüksek kritik akım yoğunluğunu sağladığını iddia ediyor.
Goyal’ın UB’deki Fonksiyonel Malzeme ve Cihazların Heteroepitaksiyel Büyümesi Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırmacı olan Rohit Kumar’a göre, HTS filmi, biriktirme ayarları üzerinde titiz bir kontrol ile son teknoloji darbeli lazer biriktirme teknolojisi kullanılarak oluşturuldu.
Bir lazer ışını belirli bir malzemeye odaklanarak, darbeli lazer biriktirme, onu daha sonra uygun bir alt tabaka üzerine biriktirilebilecek bir film haline getirebilir.
Goyal’a göre ayrıca İtalya’daki Università di Salerno’da bazı süper iletkenlik özelliklerini ölçtük ve McMaster Üniversitesi’ndeki Kanada Elektron Mikroskopi Merkezi’nde nanokolumnar ve atomik ölçekli kusurları karakterize etmek için atomik çözünürlüklü mikroskopi kullandık.
Kaynak: https://phys.org/news/2024-08-team-fabricates-world-highest-superconducting.html
