Supergeleiding in de elektriciteitsindustrie: heden en toekomst

Het algemene patroon van onze tijd is het verkleinen van de kloof tussen een bepaalde ontdekking en de implementatie ervan. Zodra dit interval honderden jaren bereikte, is het nu tot een minimum beperkt. De introductie van fotografie ligt bijvoorbeeld 112 jaar na de opening. Minerale meststoffen werden 70 jaar na hun oprichting gebruikt, telefonische communicatie - na 50 jaar, uitzenden - na 35, radiolocatie na 15, televisie - na 12, atoombom - na 6 jaar, een transistor - na 3 en een laser - na slechts 2 jaar.

Het begin van het technische gebruik van supergeleiders dateert uit 1955, toen de eerste elektromagneet met hun hulp werd gemaakt. 56 jaar zijn verstreken sinds de ontdekking van supergeleiding tot de introductie ervan. Wat is er aan de hand?

Volgens sommige Britse natuurkundigen is deze vertraging te wijten aan twee redenen: de onvoldoende ontwikkeling van cryogene technologie en de ontdekking van alleen zachte, pure supergeleiders. Harde materialen met technisch aanvaardbare parameters werden pas in 1930 bekend en pas een kwart eeuw later werden daadwerkelijk geleiders van dergelijke materialen gemaakt. En meteen werd een solenoïde met een supergeleidende wikkeling gebouwd en met succes getest. Technische supergeleiding was geboren.

Aldus viel de uitvinding en het begin van het gebruik van technisch geschikte supergeleidende materialen in de tijd samen (1955). Maar de eigenlijke uitvinding van supergeleiders gebeurde misschien later. Het was immers pas in 1963 mogelijk om echt werkbare draden te maken die moesten worden afgeremd voor thermische stabilisatie. Paradoxaal genoeg is het een feit: de introductie van supergeleiders begon acht jaar eerder dan hun eigenlijke ontdekking.

Tegenwoordig worden supergeleiders praktisch gebruikt in de fysica, waar al vele jaren grote onderzoeksfaciliteiten en nieuwe apparaten worden gebruikt. Uit de pers zijn enkele bekende toepassingen bekend van supergeleidende elektromotoren, gyroscopen, elektromagneten op schepen, vliegtuigen. In de geneeskunde zijn supergeleidende meters van magnetische velden gecreëerd door levende organismen verschenen.

Het gebruik van supergeleiders in de energiesector en in het vervoer is zeer relevant. Hier zijn de voorbereidende werkzaamheden al vele jaren aan de gang, maar nieuwe machines en kabels zijn nog niet in gebruik. Waarom?

Er zijn veel redenen die de datum van het massale gebruik van supergeleiders in de nationale economie uitstellen. Het was bijvoorbeeld niet eenvoudig om een ​​theorie van supergeleiding te ontwikkelen, maar het is niet minder moeilijk voor ingenieurs om deze theorie onder de knie te krijgen. Een onverwacht moeilijke taak was de constructie van supergeleidende draden, er is geen ander woord voor het proces van het maken van een samenstelling met meerdere elementen uit verschillende metalen. De productie van supergeleidende banden, banden en draden vereiste de ontwikkeling van speciale technologie, de creatie van speciale machines en zelfs nieuwe industrieën.

Grote moeilijkheden worden geassocieerd met de cryogene toevoer van supergeleidende objecten, omdat supergeleiding alleen ontstaat bij zeer lage temperaturen. Gekoelde vrachtwagens met hoog vermogen waren vereist.

De ontwikkeling van cryogene technologie is ondenkbaar zonder het gebruik van een diep vacuüm, dus je moet leren hoe je deze kunt ontvangen en onderhouden. En natuurlijk metingen: we hebben speciale sensoren en apparaten nodig, besturingsdraden die door holtes met verschillende temperaturen gaan.

Maar wanneer het mogelijk is om al deze moeilijkheden te overwinnen, zal het niet eenvoudig zijn om het elektrische probleem op te lossen. Tot nu toe worden in high-power elektrotechniek meestal stromen van tientallen tot honderden ampères gebruikt, en het is technisch en economisch haalbaar om stromen duizenden keren hoger over te dragen via supergeleiders. Maar zijn dergelijke multi-amp installaties nodig?

Dergelijke installaties bestaan, maar er zijn er maar weinig. Het is niet eenvoudig om ze te maken, omdat het huidige draagvermogen van traditionele geleiders, koper en aluminium, beperkt is. Nu het met behulp van supergeleiders mogelijk is om de huidige dichtheden en de stromingen zelf herhaaldelijk te verhogen, zou het realistisch zijn om te praten over de modernisering van alle elektrische centrales van elektriciteitscentrales tot consumenten. Maar is een dergelijke aanpassing noodzakelijk? Zo nee, waarom supergeleidende elektrische componenten maken?

Dergelijke eenheden moeten multi-ampère zijn, dit valt niet te ontkennen. Supergeleiders zijn tenslotte prachtig geleidermateriaal. Maar de elektrische circuits zijn ontworpen voor kleine stromen en zeer hoge spanningen. Nou, objecten met meerdere ampères in circuits met een lage ampère integreren? Unreal. En de volledige herstructurering van alle elektrische energie-apparatuur is een enorme taak. Zullen supergeleiders echt alleen hun plaats vinden in unieke fysieke installaties?

De problemen van het probleem van de introductie van supergeleiders worden echter geleidelijk opgelost. Toen het toegepaste werk met supergeleiders begon, was het gebrek aan opgeleid personeel, nieuwe materialen, apparatuur en apparaten bijzonder acuut. Maar toch, de een na de ander, ontstonden kleine modellen. Er is een constante vraag naar nieuwe draden, fluidizers, instrumenten en sensoren. Natuurkundigen en wiskundigen zijn betrokken bij het oplossen van puur praktische problemen: het bepalen van kritische velden en stromen, het evalueren van AC-verliezen, het berekenen van het thermostabiele gedrag van supergeleiders in vloeibaar helium.

Tegenwoordig houden honderden onderzoeksteams zich bezig met de problemen van technische supergeleiding. Er zijn langetermijnonderzoeksplannen geïdentificeerd, werkketens geformuleerd, lijsten met te implementeren voorzieningen liggen klaar.

Over het algemeen kan worden aangenomen dat het zoekwerk dat nodig is om de toonaangevende monsters van de supergeleiders van de apparatuur te maken, met ongeveer 30-50% is uitgevoerd. Onder de gecreëerde modellen zijn elektromagneten voor fysiek onderzoek en voor turbogenerators, motoren, supergeleidende transformatoren en kabelsecties, lagers en apparaten.

"De komende jaren zullen cruciaal zijn voor de overgang van supergeleiders van laboratoria naar de industrie voor grootschalige toepassingen", zegt J. Bardin, Nobelprijswinnaar, twee keer.

Lees meer over de toekomst van supergeleiding in het volgende artikel.

Mikhail Chernov https://nlv.electricianexp.com

Vervolg:

De toekomst is supergeleiders