Nanotechnologia wkracza w świat nadprzewodników
Nadprzewodnictwo, po raz pierwszy odkryte w 1911 roku, jest własnością niektórych materiałów polegającą na przewodzeniu energii elektrycznej z bardzo małymi stratami mocy poniżej pewnej temperatury. W przeciwieństwie do znanych przewodników, takich jak miedź, gdzie część energii jest tracona w postaci ciepła i straty te wzrastają wraz z odległością, jaką pokonuje ładunek, materiały nadprzewodzące mogą przenosić ogromne prądy bez powodowania strat związanych z tarciem lub strat ciepła, co czyni je doskonałym rozwiązaniem umożliwiającym efektywne przesyłanie energii. Jednakże obecnie dostępne nadprzewodniki pracują w bardzo niskich temperaturach i wymagają użycia kosztownego helu, a zatem do tej pory głównymi zastosowaniami były silne magnesy. Nowe nadprzewodniki, które mogą pracować w wyższych temperaturach, pomagają zmniejszyć koszty, eliminując potrzebę kosztownego lub skomplikowanego chłodzenia, a także mogą pracować w ciekłym helu i generować bardzo silne pola magnetyczne. Niestety, są one zbyt kruche, aby można było je produkować w normalnych procesach formowania. W ramach finansowanego przez UE projektu EUROTAPES (European development of superconducting tapes: Integrating novel materials and architectures into cost effective processes for power applications and magnets) naukowcy zaprezentowali innowacyjne metody tworzenia cienkich folii nadprzewodzących o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa wynoszącej do 92 K (-181 °C), które mogą skutecznie transportować prąd. Zespół projektowy wprowadził nanocząstki o wielkości zaledwie 4 nm do matrycy składającej się z cienkich warstw epitaksjalnych z YBa2Cu3O7 (YBCO) wyprodukowanych w wyniku połączenia różnych metod osadzania, takich jak osadzanie za pomocą lasera impulsowego i chemiczne osadzanie z roztworu (metoda zaadaptowana z drukowania atramentowego) w celu uzyskania najlepszych rezultatów. Małe cząstki przyczyniły się do znacznego zwiększenia wartości maksymalnego prądu, który może być transportowany przez nadprzewodniki bez strat, nawet w warunkach działania bardzo silnego pola magnetycznego. Działania w ramach projektu koncentrowały się na trzech różnych zastosowaniach wymagających testowania przewodów w różnych zakresach pola magnetycznego i temperatury. Kluczowym wyzwaniem była optymalizacja wydajności. Naukowcom udało się stworzyć następujące materiały: nanokompozytowe taśmy nadprzewodnikowe, które wykazały dobre działanie w warunkach niezwykle silnego pola magnetycznego (powyżej 20 T), w niskich temperaturach (4 K), przy użyciu ciekłego helu jako chłodziwa; silniki i generatory w wysokich polach magnetycznych (3–5 T) chłodzone za pomocą chłodnic kriogenicznych w temp. 30–50 K; kable i ograniczniki prądu zwarciowego przy niskich polach magnetycznych (poniżej 1 T), przy stosunkowo wysokich temperaturach (65–77 K), przy użyciu ciekłego azotu. Mimo że ciekły hel jest kosztowny, obecnie jest stosowany jako płyn chłodzący dla większości nadprzewodników używanych jako magnesy. Nowe taśmy nadprzewodnikowe wykazały dużą wydajność w niezwykle wysokich polach magnetycznych, dzięki czemu można je wykorzystać do budowy nowej generacji silnych magnesów. Nowe, niedrogie metody Mimo że wysokiej jakości nadprzewodniki mogą całkowicie zrewolucjonizować nasze systemy energetyczne, największą przeszkodą w ich stosowaniu jest koszt produkcji. W ramach projektu EUROTAPES stworzono linię produkcyjną o długości 600 metrów do wytwarzania taśm nadprzewodnikowych, która umożliwiła zmniejszenie wskaźnika €/kA dzięki zastosowaniu nowych metod i materiałów używanych do produkcji. Oprócz metody osadzania za pomocą lasera impulsowego naukowcy eksperymentowali także z technikami chemicznego osadzania z roztworu, aby łatwiej przetwarzać cienkie folie YBCO. Metoda ta wiąże się z zawieszeniem nanocząsteczek w roztworach koloidalnych, a następnie drukowaniem tuszów na metalowym substracie w celu wyprodukowania taśm. Kluczowym elementem tej techniki było kontrolowanie struktury i stabilności powstałych atramentów koloidalnych. „Utrzymanie pojedynczej struktury krystalicznej wielowarstwowej taśmy na długości setek metrów było dużym wyzwaniem, które zostało skutecznie rozwiązane przez zespół EUROTAPES” – mówi koordynator projektu, Xavier Obradors. „Aby jeszcze bardziej zwiększyć ilość prądu przewodzonego przez taśmy, przewody epitaksjalne zostały wykonane z nanometrycznych materiałów nieprzewodzących oraz nadprzewodzących, które zmodyfikowały strukturę folii” – dodaje Obradors. Materiały nanokompozytowe, szczególnie cienkie folie i powłoki, mają bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle, a kilka metodologii opracowanych w ramach projektu EUROTAPES można łatwo przenosić na inne obszary. Do typowych zastosowań, w przypadku których wymagane są duże lub długie nanopowłoki, należą ogniwa słoneczne, okna elektrochromowe, ogniwa paliwowe i baterie.
Słowa kluczowe
Wysokotemperaturowy nadprzewodnik, sieci energetyczne, silniki, EUROTAPES, taśmy nadprzewodnikowe
