Сверхпроводники нового поколения: что скрывается за рекордными показателями?

Учёные Университета Буффало сделали значительный шаг к созданию высокотемпературных сверхпроводящих ( HTS ) проводов, способных переносить электричество без сопротивления при более высоких температурах, чем традиционные сверхпроводники. Эта технология может радикально изменить энергетическую инфраструктуру и способствовать коммерческому использованию ядерного синтеза.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует создание сегмента HTS провода с рекордными показателями производительности и улучшенными экономическими характеристиками. Используя редкоземельный барий-медный оксид (REBCO), провода достигли самой высокой плотности критического тока и силы закрепления магнитных вихрей для всех магнитных полей и температур от 5 до 77 кельвинов.

Эти температуры всё ещё чрезвычайно низкие — от минус 451 до минус 321 градусов по Фаренгейту — но они выше абсолютного нуля, при котором работают традиционные сверхпроводники. Полученные результаты помогут промышленности оптимизировать условия производства, что значительно улучшит экономические показатели коммерческих проводников.

Высокотемпературные сверхпроводящие провода имеют множество применений. В энергетике их можно использовать для удвоения мощности, генерируемой ветряными генераторами, создания крупномасштабных систем хранения энергии и передачи энергии без потерь по линиям постоянного и переменного тока. Они также могут повысить эффективность энергетических систем благодаря высокоэффективным трансформаторам, двигателям и ограничителям тока для электрических сетей.

Одним из наиболее перспективных применений HTS проводов является коммерческий ядерный синтез, который может обеспечить неограниченное количество чистой энергии. За последние годы около 20 компаний по всему миру начали развивать коммерческий ядерный синтез, инвестируя миллиарды долларов в разработку HTS проводов для этой цели. Другие области применения включают медицину (новое поколение МРТ), разработку лекарств (ядерный магнитный резонанс), а также оборонные технологии, такие как создание полностью электрических кораблей и самолётов.

В ходе исследования команда учёных под руководством профессора Амина Гояла смогла создать сверхпроводящие провода на основе REBCO с высокой плотностью тока и сильной способностью закреплять магнитные вихри. При температуре 4,2 кельвина провода переносили ток до 190 миллионов ампер на квадратный сантиметр без внешнего магнитного поля и до 90 миллионов ампер на квадратный сантиметр при магнитном поле в 7 тесла. На более высокой температуре 20 кельвинов провода могли переносить свыше 150 миллионов ампер на квадратный сантиметр без внешнего магнитного поля и более 60 миллионов ампер на квадратный сантиметр при магнитном поле в 7 тесла. Эти показатели являются наивысшими для всех магнитных полей и температур от 5 до 77 кельвинов.

Сегмент HTS провода был изготовлен с использованием технологий ионно-лучевой осаждения (IBAD) MgO и наноколонных дефектов. Технология самосборки позволяет включать в провод наноколонны на наноуровне, что обеспечивает высокую плотность критического тока и силу закрепления магнитных вихрей. Исследование и его результаты демонстрируют, что значительные улучшения в производительности и снижении затрат всё ещё возможны, что открывает путь к широкомасштабному использованию высокотемпературных сверхпроводников в различных областях.