Slovenským vedcom sa podarilo vyvinúť technológiu pre produkciu doposiaľ najľahšieho supravodivého kábla na svete


Slovenským vedcom sa podarilo vyvinúť technológiu pre produkciu doposiaľ najľahšieho supravodivého kábla na svete

Vedci zo Slovenskej akadémie vied vyvinuli najľahší supravodivý kábel na svete. Môže znamenať prelom vo vývoji ľahkých generátorov pre veterné turbíny v pobrežných vodách, v kozmickom programe by raz mohol takýto materiál aktívne tieniť ľudskú posádku pred kozmickým žiarením.

Výskumníkom z Elektrotechnického ústavu SAV a Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV sa podarilo vyvinúť technológiu pre produkciu doposiaľ najľahšieho supravodivého kábla na svete. Supravodivý efekt je možné využiť v mnohých aplikáciách, pričom v niektorých z nich ako napríklad v kozmickom, leteckom a energetickom priemysle je z viacerých dôvodov potrebná nízka celková hmotnosť zariadení so supravodičom. Nízka hmotnosť supravodiča v takýchto aplikáciách vedie k vyššej energetickej efektivite, nižšej spotrebe energie, k vyšším rýchlostiam a zrýchleniam pohybujúcich sa zariadení. Supravodivý drôt s nízkou hmotnosťou tak môže znamenať prelom vo vývoji ľahkých generátorov pre veterné turbíny umiestňované v pobrežných vodách morí, v supravodivých levitačných pohonoch, v kozmickom programe by raz mohol aktívne tieniť ľudskú posádku pred kozmickým žiarením.

Čo je supravodič

„Supravodič je materiál, ktorý pri nízkych teplotách vykazuje nulový elektrický odpor, a teda predstavuje dokonalý vodič schopný prenášať obrovské prúdy. Táto vlastnosť sa využíva napríklad pri konštrukcii supravodivých cievok schopných vytvárať extrémne silné magnetické polia nevyhnutné pre fungovanie magnetickej rezonancie pre detailnú diagnostiku v medicíne (MRI),“ povedal Ing. Pavol Kováč, DrSc. z Elektrotechnického ústavu SAV.

História supravodivosti siaha až do obdobia spred 100 rokov – prvý supravodič bol objavený a popísaný v roku 1911. Odvtedy vedci objavili množstvo supravodivých materiálov, existuje len niekoľko takých, ktoré sa dajú pripraviť vo forme dlhých drôtov použiteľných pre vinutia supravodivých cievok. Najnovším spomedzi týchto materiálov je borid horečnatý MgB2, objavený v roku 2001. Supravodivým sa stáva pri teplotách nižších ako 40 K (-233 °C) a je doteraz aj najľahšou supravodivou fázou s mernou hmotnosťou iba 2.5 g/cm3.

Supravodivý drôt je zložený zo supravodivého jadra obaleného kovovým plášťom, ktorý tvorí hlavnú časť hmoty drôtu. Medzi plášťom a jadrom je tenká kovová medzivrstva, zabraňujúca reakcii oboch materiálov počas tvárnenia a tepelného spracovania drôtu. Avšak súčasné technické prevedenia supravodičov na báze MgB2 využívajú materiál plášťu z kovov s vysokou hustotou typicky na báze medi (Cu). V supravodičiarskych a kryogénnych aplikáciách, kde je žiaduca redukcia hmotnosti rotačných a pohybujúcich sa častí, existuje dlhodobá snaha o náhradu Cu plášťa riešením na báze hliníka (Al). Avšak použitie plášťa na báze konvenčných hliníkových materiálov na prípravu kvalitného MgB2 supravodivého drôtu nie je technologicky možné.

„Vyvinuli sme nový typ ultraľahkého supravodivého drôtu s MgB2 jadrom, tenkou titánovou medzivrstvou a plášťom zo špeciálneho kompozitného hliníka (Al), nazývaný HITEMAL®.HITEMAL® je ultra-jemnozrnný Al efektívne stabilizovaný nano-časticami oxidu hlinitého (Al2O3), pripravený práškovou metalurgiou. HITEMAL® spĺňa náročné a protichodné požiadavky, keďže technologicky po prvý raz umožňuje výrobu ultraľahkých tenkých supravodičových drôtov s MgB2 jadrom, a zároveň poskytuje vhodné mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti potrebné pri prevádzke supravodivého drôtu. To všetko pri nízkych výrobných nákladoch. Takto pripravené drôty už boli úspešne využité na vinutia cievok elektrických strojov a testované pri nízkych teplotách,“ povedal Ing. Martina Balog, PhD. z Ústavu materiálov a mechaniky strojov SAV.

HITEMAL® je ochranná značka registrovaná Ústavom materiálov a mechaniky strojov SAV. Na inovatívnu technológiu nového ultraľahkého supravodiča je podaná prioritná národná (SK) patentová prihláška PP 50037-2017 a medzinárodná PCT prihláška PCT/IB2018/053540. Taktiež sú intenzívne realizované aktivity za účelom komerčného uplatnenia tohto jedinečného riešenia.

Obrázková príloha:

Základný technologický proces výroby nového ultraľahkého supravodiča technológiou PIT alebo IMD je znázornený na Obr. 1. HITEMAL® rúrka je vyrobená z jemného hliníkového prášku metódami práškovej metalurgie. Do HITEMAL® rúrky je vložená medzivrstva, t.j. rúrka z ľahkého kovu – titánu, ktorá je naplnená zmesou práškov horčíku a bóru, alebo drôt z horčíku obsypaný práškom z bóru v čistej atmosfére inertného plynu. Takto zložený kompozit sa tvárni za studena do drôtu, pomocou procesov hydrovytláčania, rotačného kovania, valcovania alebo ťahania. Výsledný produkt, napríklad štvorcový prierez drôtu s hranou približne 1 mm, sa tepelne spracuje. Pri záverečnom tepelnom spracovaní vzniká reakčnou syntézou medzi horčíkom a bórom MgB2 supravodivé jadro (Obr. 2).

Obr. 1 Základný technologický proces výroby ultraľahkého supravodivého drôtu procesom PIT alebo IMD. Mg – horčík, B – bór.

Obr. 1 Základný technologický proces výroby ultraľahkého supravodivého drôtu procesom PIT alebo IMD. Mg – horčík, B – bór

Obr. 2 Priečny prierez ultraľahkého supravodiča. Pozícia 1 - HITEMAL® plášť; 2 – titánová bariérna vrstva; 3 -  supravodivé jadro z MgB2.
Obr. 2 Priečny prierez ultraľahkého supravodiča. Pozícia 1 - HITEMAL® plášť; 2 – titánová bariérna vrstva; 3 - supravodivé jadro z MgB2

Mikroštruktúra tvárneného HITEMAL® plášťa je tvorená Al zrnami s veľkosťou rádovo niekoľko stoviek nanometrov. V ultra-jemnozrnnej Al štruktúre HITEMAL® sú homogénne zakomponované nanometrické častice oxidu hlinitého (Al2O3) časticami, ktoré vznikajú v HITEMAL® plášti v procese výroby supravodivého drôtu z pasivačných obálok vstupných hliníkových práškov (Obr. 3).

Obr. 3 Mikroštruktúra HITEMAL® plášťa ukazujúca submikrometrické hliníkové (Al) zrná, ktoré sú stabilizované nano časticami oxidu hlinitého (Al2O3).
Obr. 3 Mikroštruktúra HITEMAL® plášťa ukazujúca submikrometrické hliníkové (Al) zrná, ktoré sú stabilizované nano časticami oxidu hlinitého (Al2O3)

Praktický supravodivý drôt zvyčajne obsahuje supravodivé jadro alebo vlákna (1) v dobre vodivom kovovom obale (3), ktoré sú obyčajne chránené voči vzájomnej reakcii pri teplotnom spracovaní nejakým inertným materiálom tzv. bariérou (2), viď. Obr. 4.
Obr. 4. Kompozitný supravodivý drôt s jedným supravodivým jadrom (a) alebo viacerými supravodivými vláknami (b)

Obr. 4 Kompozitný supravodivý drôt s jedným supravodivým jadrom (a) alebo viacerými supravodivými vláknami (b)

Doteraz sa podarilo vyrobiť a uplatniť dlhé supravodivé drôty iba zo štyroch supravodivých materiálov: NbTi, Nb3Sn, Bi-2223 a MgB2. Borid horečnatý (MgB2) je z nich najmladším a najľahším, viď Obr. 5.

Obr. 5. Merné hmotnosti praktických supravodičov, kovových materiálov bariéry a použiteľných vonkajších obalov
Obr. 5 Merné hmotnosti praktických supravodičov, kovových materiálov bariéry a použiteľných vonkajších obalov

Obr. 6. Supravodivá cievka navinutá s MgB2/Ti/Al+Al2O3 drôtom izolovaným 10 µm vrstvou Al2O3 na kostre s nerezovej ocele
Obr. 6 Supravodivá cievka navinutá s MgB2/Ti/Al+Al2O3 drôtom izolovaným 10 µm vrstvou Al2O3 na kostre s nerezovej ocele

Usporiadanie supravodivého kábla umožňuje navíjanie vinutí s menším priemerom ohybu bez poškodenia krehkej MgB2 fázy a tiež obmedziť vírivé prúdy spôsobujúce nežiadúci ohrev pri nízkych teplotách.

Obr. 7 Supravodivý kábel spletený z 12-tich ľahkých MgB2 drôtov s Al+Al2O3 obalom
Obr. 7 Supravodivý kábel spletený z 12-tich ľahkých MgB2 drôtov s Al+Al2O3 obalom

 

Informácie  poskytla Monika Hucáková, hovorkyňa Slovenskej akadémie vied

Redigovala a uverejnila: MI, NCP VaT pri CVTI SR

Hore
TVT 2019
Veda v Centre
Prechod VK na VND - jeseň
kúpa časopisov jún 2016
Publikácie Veda v CENTRE
TVT 2019
QUARK
Bratislavská vedecká cukráreň
Aurelium - centrum vedy
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Extrapolácie 2019
Zaujímavosti vo vede
Rituál zdobenia stromov v období pred zimným slnovratom siaha do predkresťanských čias.
Zistite viac