Medžiagų mokslas Super power

U.(BALU)BALACHANDRAN
Argonne nacionalinė laboratorija
Viešintis redaktorius, specialusis reportažas

Specialusis reportažas
Super energija
Progresas vystant naujus energijai pritaikomus superlaidininkus yra greitesnis nei buvo tikėtasi; jo prototipai pralenkia planuotus tikslus

Superlaidininkai yra naudojami elektros energijos sistemose jau daugiau nei 30 metų. Tai daroma ne be priežasties. Iš esmės, šios medžiagos gali būti naudojamos kompaktiškesnių ir našesnių įrenginių gamybai ir energijos transportavimo bei saugojimo sistemų našumo didinimui, darant tai aplinkai palankesniu būdu.
Įprastiniai “žemos temperatūros” superlaidininkai, kurie veikia tik temperatūroje, artimoje absoliučiam nuliui, buvo naudojami tokiems įrenginiams kaip varikliai, geeneratoriai, transmisijos kabeliai ir srovės trukdžių ribotuvai. Tačiau brangus skysto helio aušinimas, reikalingas palaikyti žemesnei nei 4 K temperatūrai, trukdė universaliai juos naudoti bei paversti pelno šaltiniu. 1986m. susidomėjimas jais atgijo atradus taip vadinamus aukštos temperatūros superlaidininkus (ATS) –vario oksido junginius, laidžius maždaug 77K temperatūroje, kurią galima palaikyti daug pigesniu skystu azotu. Nuo tada šių medžiagų vystymasis vyksta greitu tempu.
Pagal pernai gegužę Japonijoje vykusio Penktojo tarptautinio superlaidumo pramonės apogėjaus (ISS-5) susirinkimo projektą, iki 2020m. pasaulinis superlaidininkų pagrindu pagamintų produktų pardavimas gaali pasiekti 120 bilijonų USD sumą. Cituojant Gregory Yurek, Amerikos superlaidininkų korporacijos įsteigėją-prezidentą, tai apims panaudojimą telekomunikacijoms bei elektros energijai, kas kartu galėtų sudaryti “megasrovę”.
Kadangi tikimasi didelio jų poveikio elektros industrijai ir tiesioginiams elektros energijos vartotojams, JAV Energijos departamentas, Gynybos de

epartamentas ir kitos federalinės agentūros aktyviai remia ATS medžiagų tyrinėjimą bei vystymą. Biudžetiniais 1995 metais JAV vyriausybė žemos ir aukštos temperatūros laidininkų tyrinėjimui bei vystymui išleido apytikriai 210 milijonų USD. Šių programų tikslas yra technologijas išvystyti iki lygio, leidžiančio panaudoti jas komercinėms reikmėms.
Atitinkamai, Energijos departamentas pradėjo Superlaidumo partnerystės iniciatyvos (SPI) programą, kurios pagalba buvo įsteigtos sąjungos su nacionalinėmis laboratorijomis, universitetais ir privačia industrija. Kaip svarbiausia valstybinė programa siekiant sukomercinti ATS technologijas, I-moje fazėje, prasidėjusioje 1994m., ji gavo 12 milijonų USD finansavimą. Atsižvelgiant į industriją, maždaug 9 milijonus USD suteikia departamentas.

Šis I-mosios fazės finansavimas po 1993m. sausį paskelbto konkurso atiteko keturioms industrinėms komandoms, savo dėmesį sutelkusioms į keturis ATS produktus. Pramonei esant atsakingai už pradinių stereotipų demonstravimą, universitetai bei valstybinės laboratorijos yra finansiškai skatinamos vykdyti ilgalaikį tyrinėjimą irr vystymą.

Į pirmą industrinę komandą, surinktą dirbti su srovės trukdžių ribotuvais ir vadovaujama Lockheed Martin, įėjo Los Alamos nacionalinė laboratorija, Pietų Kalifornijos Edison ir American Superconductor (pastaroji iškrito). Antroji komanda tobulina superlaidžius generatorius, siekdama sumažinti elektros kainas ir tarnauti pasaulinei 30 bilijonų USD rinkai. Iš pradžių dirbant su generatoriais lyderiavo General Electric. Į komandą buvo įtrauktas Elektros Energijos Tyrimų Institutas (EPRI), Intermagnetics General korporacija, Niujorko valstijos Superlaidumo institutas, Niujorko valstijos Energijos tyrinėjimo ir vystymo vyresnybė, Niagaros Mohawk Energija it trys nacionalinės laboratorijos – Argonne, Oa
ak Ridge ir Los Alamos.

Trečioji SPI komanda, surinkta kurti superlaidžiuosius variklius, vadovaujama Reliance Electric, buvo sudaryta iš American Superconductor, Centerior Energy, EPRI ir Sandia nacionalinių laboratorijų. Pagal Reliance tyrimus, dideli pramoniniai varikliai suvartoja beveik 30 procentų Jungtinėse Valstijose pagamintos elektros, ir šiuo metu sudaro 300 milijonų dolerių rinką.

Ketvirtosios komandos tikslas yra vystyti dviejų tipų ATS energijos kabelių sistemas. Šiaurės Amerikos Pirelli Cables, American Superconductor, EPRI ir Los Alamosdirba dirba su švino kabeliais ir koaksialiais kabeliais. Pirmasis tipas, kaip galima spręsti iš pavadinimo, bus įtrauktas į jau egzistuojančius kanalus ir pakeis vario kabelius, kurie yra susidėvėję arba žemesnio pajėgumo. Antrieji, koaksialieji kabeliai, visų pirma tarnaus požeminėms instaliacijoms už JAV ribų.

Jei šios pastangos pasiteisins, elektros energijos tiekėjai pasipelnys iš aukštesnės kokybės transmisijos kabelių ir kompaktiškesnių bei pajėgesnių variklių ir generatorių. Ypač svarbūs energijos kiekiai bus sutaupyti kai vario kabeliai užleis vietą aukšto pajėgumo, mažesnio nuostolingumo superlaidiems laidams. Varikliai ir generatoriai su super-laidais praras perpus mažiau energijos nei jų analogai su vario laidais.

Ilgos bismuto (BSCCO-2223) superlaidininko atkarpos [žr.piešinį 45 psl.] I fazės SPI programoje naudojamos prototipiniams produktams. Šie laidai gaminami miltelių vamzdelyje (PIT) technologija: superlaidininko pirmtako milteliai supakuojami į gryno sidabro ar sidabro lydinio vamzdelius ir mechaniškai deformuojami tempiant ir valcuojant, kol gaunamos ilgos vielos atkarpos. Viela te
ermiškai apdorojama, kad pavirstų į superlaidininką.

Tokia viela buvo panaudota prototipiniame variklyje, srovės trukdžių ribotuve, kabelyje ir generatoriaus ritėje. Visi šie prototipai sumušė pasaulio rekordą, ar bent jau toli pralenkė planuotus tikslus. Pavyzdžiui, variklio projektuotojai siekė 125 hp galios, o gavo 150kW, 60% didesnę nei planavo pradžioje. Transmisijos kabelio projekte planuotas 30m.,1200-A vienfazis kabelis, virto 50m., 1800-A kabeliu. Generatorius pasiekė rekordą su didžiausia ATS lenktynių rite (40 000 A-apvijų).

Variklis ir srovės trukdžių ribotuvas buvo pasirinkti II fazei biudžetiniais 1997m. Pagal šią programą, Reliance Electrics komanda 1998m.turi pagaminti 740 kW , o 2000m. išbandyti 3700 kW variklį. Lockheed Martin komanda, į kurią įeina Pietų Kalifornijos Edison, Intermagnetics General ir Los Alamos nacionalinė laboratorija, 1998m. išbandys 15 kV, 20-kA klasės prototipinį srovės trukdžių ribotuvą.

BSCCO (tariama bisko) laidai, naudojami SPI projektuose, duoda neblogų rezultatų. Tačiau jų panaudojimo galimybės stambiuose elektros įrenginiuose yra gana ribotos dėl jautrumo magnetiniams laukams. Daugelyje didelių gabaritų prietaisų, kuriuose numatyti ATS, šie laukai yra būtini sistemos veikimui. Jei išorinis magnetinis laukas pakankamai stiprus, jis gali pasiekti superlaidininką pavieniais srautais ar sūkuriais. ATS atlaiko išorinius laukus neprarasdami superlaidininko savybių tol, kol šių srovių linijos pastovios. Tačiau kai naudojama elektros energija, srautų linijos juda, “šliaužia”, sukeldamos energijos eikvojimą. Srauto šliaužimas taip pat vyksta kai esant magnetiniam laukui padidėja darbinė temperatūra.

Variklių, ge
eneratorių ir srovės trukdžių ribotuvų prietaisuose ATS rites veikia stipresni nei 1 teslo magnetiniai laukai. Dėl srauto šliaužimo, naudojant PIT apdirbimo laidą ar juostą, darbo temperatūra pakils virš 30 K. Bandant apeiti šią problemą, tiriamos įvairios metalurginės technikos, tokios kaip smulkios skalės mikrostruktūrinių defektų įvedimas (suporinimas, inkliuzijos ir kt.), ar medžiagos švitinimas formuojant stulpelinius defektus. Tikimasi, kad tokie mikrostruktūriniai nevienarūšiškumai “prisegs” srautų linijas pozicijoje, ribojančioje jų polinkį išlydžiui. Pakeitimai, paremti išradingais medžiagų projektavimo būdais, jau davė puikių rezultatų trumpiems laidams. Ar šios technologijos bus praktiškos ir ekonomiškai palankios ilgų laidų gamyboje, dar reikia pažiūrėti.

Įdomios naujos perspektyvos atsivėrė vystant aukštuose laukuose veikiančių ATS laidininkų gaminimo technologijas. Dvi JAV laboratorijos pratęsė novatorišką Japonijos darbą (žr. IEEE Spectrum, sausis, 38 psl.): Los Alamos ištobulino vadinamą depozicijos jono spindulių pagalba metodą (IBAD); Oak Ridge – pagamino dviašės tekstūros valcuotus substratus (RABiTS). Tai suteikia galimybę pagerinti pluošto ribą ir srovės “prisegimo” efektą storiems ATS sluoksniams, dengiantiems lankstaus metalo substratus. Abiem metodais buvo gauti dviašės (vienkristalio tipo) itrio-bario-vario oksido struktūros (YBCO, ar ipko) superlaidininkai, kurių kritinis srovės tankis trumpuose pavyzdžiuose azoto temperatūroje yra netoli 1 M/cm2 . Tačiau tam, kad šie nauji procesai galėtų varžytis su PIT apdirbimo laidais ilgų atkarpų superlaidininkų gamyboje, prireiks dar keleto metų.

Šalia keturių SPI projektų, industrinės komandos ėmė kurti planus su transformatoriais, smagračiais, magnetinės separacijos sistemomis, jau neminint naujų transmisijos kabelių projektų. Waukesha Electric Systems ir Intermagnetics General korporacijos susijungė į komandą su Rochester Gas and Electric ir Oak Ridge laboratorija, siekdamos tobulinti vienfazį 1 MVA transformatorių, dirbantį 20-50 K temperatūroje. Šio transformatoriaus ritės padarytos iš aplietų BSCCO-2212 superlaidininkų.

Britanijos tautų sandraugos tyrimų korporacija susijungė su Argonne darbui su smagračiais, taikomais energijai saugoti. Los Alamos kartu su Eriez Magnetics ir American Superconductor dirba su magnetinės separacijos sistema, kurią galima pritaikyti aplinkos valyme medžiagoms apdirbti. Na o Southwire Co., didžiausia JAV kabelių gamintoja, susibūrė į komandą su Oak Ridge naujo transmisijos kabelio projektavimui.

ATS įtaisų taikymas elektros prietaisų sferoje turi aiškių privalumų, tačiau dar yra trukdžių sėkmingam jų sukomercinimui. Kaip ir ankstesnės puslaidininkio, IC (integrinės schemos) bei optinio pluošto technologijos, ATS technologija pirmiausia turi skirti keletą istoriškai reikalingų metų tyrinėjimams bei vystymui. Reikia atkreipti dėmesį į tokius dalykus kaip nuostoliai, laidininko savikaina ir patikimos superlaidininkų jungtys. ATS savikainos ir ac (kintamosios srovės) nuostoliai dar yra gana aukšti. Čia reikia koncentruoti dideles tyrinėjimų ir vystymo pajėgas. Kaip yra pasakęs Richard D. Blaugher, elektros įmonės ir kiti tiesioginiai vartotojai visuotinai pripažins superlaidžiąją energiją dėl atitinkamų sistemos charakteristikų, našumo, patikimumo, ir priežiūros, darbo ilgalaikiškumo ir instaliavimo savikainos lyginant su įprastinėmis technologijomis (883-98 psl. Advances in Cryogenic Engineering 42 T., red. L.T.Summers, Plenum Press, Niujorkas, 1996).

Šiame specialiajame IEEE Spectrum reportaže aprašoma ATS variklių, generatorių, transmisijos kabelių, smagračių ir srovės trukdžių ribotuvų dabartinė padėtis ir ateities planai.

Balu Balachandran yra energijos technologijos padalinio keramikos skyriaus menedžeris Argonne nacionalinėje laboratorijoje, III. Šioje kompetencijoje jis vadovauja didžiajai daliai laboratorijos darbų su aukštos temperatūros superlaidininkais.
Spectrum redaktorius: William Sweet

[1] Šios schematiškos superlaidžios levitacijos diagramos vaizduoja [žemiau] diamagnetinį reagavimą ir [sekančiame puslapyje] srauto “prisegimą”. Diamagnetiniame reagavime dengiančioji srovė veikia suformuodama veidrodinį tikrojo magneto atvaizdą, sukeliantį stumiančią jėgą. “Prisegant” srautą, smulkūs srovės sūkuriai skrieja aplink “prisegimo” centrus, arba superlaidininko ydas, pagaunančias kvantizuotas srauto linijas.

Piešinyje:
–nuolatinis magnetas
–dengiančioji srovė
–superlaidininkas
–nuolatinio magneto atvaizdas

Besisukantys smagračiai
JOHN R. HULL
Argonne nacionalinė laboratorija
Superlaidžiuose guoliuose planuojama sumažinti trintį maždaug iki dvigubo galingumo, o tai pranašauja 10-kWh klasės smagračius.
Superlaidininkai
Piešinyje:
—nuolatinis magnetas

—“prisegantys” centrai
—superlaidininkas

Nuo pat žiedžiamojo rato išradimo žmonės naudoja greitai besisukančius diskus ar cilindrus energijai išsaugoti trumpą laiką. Dar daugiau, kinetinę formą, kurioje žiedžiamasis ratas saugo energiją, galima lengvai transformuoti į elektros energiją, prijungiant variklį ar generatorių.
Iki nesenų laikų ribojantis faktorius buvo energijos nuostoliai smagračių guoliuose. Tačiau dabar, vystant pažangius guolius superlaidininkų pagrindu, smagračiai gali išlaikyti energiją daug ilgiau nei anksčiau.

Stabili levitacija
Paprasčiausios formos superlaidžiame guolyje yra įtaisytas nuolatinis magnetas, įtvirtintas virš superlaidininko. Superlaidininko naudojimas suteikia sistemai galimybę apeiti magnetizmo teoremą, sakančią, kad bet kuri magnetinė sistema bus statiškai nestabili. Vadinamąją Earnshaw teoremą dauguma žmonių suvokia intuityviai, kai paleidžia nuolatinį magnetą prie feromagnetinių šaldytuvo durų. Magnetas nukrenta arba prilimpa – jis nekaba ore tame taške, kuriame buvo paleistas.
Superlaidininkai yra išimtis Earnshaw teoremai. Viena iš jų esminių savybių – tendencija neįsileisti į vidų magnetinio srauto. Tai (Meissner’io efektas) priverčia juos veikti kaip stiprius diamagnetikus [žr. Apibrėžiančius terminus sekančiame puslapyje]. Atitinkamai, superlaidininkas su arti virš jo įtaisytu nuolatiniu magnetu [pav.1, puslapis priešais] išvysto dengiančiąją srovę, kuri neįleidžia srauto tokiu būdu, kad tikrasis magnetas “pamato” savo veidrodinį atvaizdą.
Tiksliau, jei nuolatinis magnetas yra vertikaliai įmagnetintas, o jo šiaurinis polius nukreiptas žemyn, atvaizdas bus taip pat vertikaliai įmagnetintas, tačiau jo šiaurinis polius bus nukreiptas aukštyn. Jis skleis stumiančią jėgą tikrajam magnetui. Kuo daugiau magnetas prisiartins prie superlaidininko, tuo stipresnė bus stumiančioji jėga; kuo toliau jis bus, tuo ši jėga bus silpnesnė. Ši struktūra gali stabiliai kelti vertikalia kryptimi. Horizontalų stabilumą galima gauti superlaidininkui suteikus įgaubtą formą, taip, kad vertikalios superlaidžiosios sienos būtų išsidėsčiusios aplink magnetą (kaip straipsnyje, 1947m išspausdintame Britų moksliniame žurnale Nature, aprašė V.Arkadiev’as).
Panašu, kad levitacija dėl diamagnetinio reagavimo taip ir liktų akademiniu kuriozu, jei nebūtų atrastas papildomas srauto “prisegimo” reiškinys [pav.1, 21 psl.]. Srautą “prisegantis” centras yra inkliuzija, įtrūkimas ar kita kristalinė yda superlaidininke. Kadangi superlaidi sritis, supanti nesuperlaidų centrą yra labai linkusi neįsileisti magnetinio srauto, per centrą einanti srauto linija pagaunama. Kai taip pagaunama pakankamai srauto linijų, nuolatinis magnetas lieka kyboti savo vietoje, netgi virš lygaus paviršiaus. Praktikoje būtų sunku priversti ratą su įgaubtais paviršiais suktis labai greitai, be to, “prisegantys” centrai smarkiai didina diamagnetinės reakcijos stiprumą.

Apibrėžiantys terminai
Trinties koeficientas: pasipriešinimo jėga padalyta iš normalios jėgos (tai yra, levitacinės jėgos ar rotoriaus svorio).
Kritinis srovės tankis: srovė, tenkanti ploto vienetui, medžiagai iš superlaidžios būsenos pereinant į normalią būseną.
Diamagnetas: medžiaga, kurios įmagnetinimas yra priešingos krypties veikiančio magnetinio lauko įmagnetinimui.
Tekstūrizacija lydant: apdirbimo technika, pagal kurią aukštos temperatūros superlaidininkas yra lydomas ir paliekamas lėtai atvėsti, taip suformuojant vieną didelę granulę ar kristalą.
“Prisegantis” centras: nesuperlaidi sritis superlaidininke, pagaunanti magnetinį srautą.

Srauto linijos tarp nuolatinio magneto ir superlaidininko veikia kaip mechaninės spyruoklės, prijungtos prie superlaidininko ir magneto. Jei magnetas pajudės aukštyn ir žemyn ar į šonus, “spyruoklės” jį pritrauks atgal į pusiausvyros padėtį. (Galimybė pagauti magnetinį srautą superlaidininke taip pat yra naudojama taip vadinamuose sugauto lauko įtaisuose, kuriuose superlaidininkas veikia panašiai į nuolatinį magnetą, tačiau šio svarbaus reiškinio šis straipsnis neaprėpia).

Kaip gaunami guoliai
Inžinerijoje daugiausiai dėmesio susilaukia superlaidininkai, pilni nanometro ar mikrometro dydžio ydų, dėl kurių atsiranda srautą “prisegantys” centrai. Čia nuolatinis magnetas savo laukuose turi didelio laipsnio azimutinį vienarūšiškumą – pavydžiu gali būti cilindrinis diskas su vientisu įsimagnetinimu. Kai toks magnetas priartinamas prie srautą “prisegančio” superlaidininko, jis laisvai sukasi. Kadangi magnetinio srauto išsidėstymas superlaidininke nesikeičia, sukimasis vyksta be jokio pasipriešinimo.

Tačiau jei magnetas pakankamai stipriai patraukiamas į šoną ar vertikalia kryptimi, viena ar daugiau pagautų srauto linijų gali pereiti į naują “prisegantį” centrą ir taip pakeisti pusiausvyros poziciją. Tokio pasikeitimo rezultatas yra keliamosios jėgos histerezės efektas, kuriam cikliškai vykstant patiriami energijos nuostoliai. Magnetui sukantis, histerezės nuostoliai sumažins sukimosi tempą. Nuolatiniam magnetui sąveikaujant su aukštos temperatūros superlaidininku (ATS), srauto “prisegimas” yra toks stiprus, jog įmanoma, kad magnetas stabiliai pakibs po superlaidininku, o tai vadinama traukiamąja levitacija.

Skirtingai nuo superlaidžios vielos prietaisų, kuriuose supersrovė teka nuo granulės iki granulės gana ilgą atstumą, supersrovei superlaidžiuose guoliuose reikia cirkuliuoti tik individualiose granulėse. Medžiaga, parinkta superlaidiems guoliams, veikiantiems skysto azoto temperatūroje, yra itrio-bario-vario-oksidas (YBaCuO, tariama ibko). Šios medžiagos granulės, daromos tekstūrizacijos lydant būdu, gali išaugti iki kelių centimetrų skersmens.

Dabartinio meistriškumo lygyje tekstūrizacijos lydant riba yra maždaug 10cm skersmuo. Levitacinė jėga, atsirandanti superlaidininke, yra proporcinga jo vidutiniam įsimagnetinimui. Kritinis srovės tankis šiuose ATS pavyzdžiuose yra apie 40000A/cm2 , o tai kartu su kelių centimetrų skersmeniu leidžia pasiekti 280 kPa levitacinį slėgį tarp superlaidininko ir neodimio-geležies-boro nuolatinio magneto.

280 kPa levitacinis slėgis pats savaime nėra įdomus. Jis yra žemesnis nei galima būtų gauti įprastiniame elektromagnetiniame guolyje (apie 1 MPa) ir žymiai mažesnis už slėgį, paprastai gaunamą mechaniniuose ritininiuose guoliuose (žymiai didesnis nei 10 Mpa). Kaip bebūtų, netgi šioje ankstyvoje ATS guolių vystymo stadijoje keletas laboratorijų stabiliai pakėlė į orą didesnes nei 100 kg mases. Pavyzdžiui, tarptautinis mokslo ir technologijų centras (ISTEC) Japonijoje sužavėjo auditoriją pakeliant į orą įspūdingą sumo imtynininką – masę, didesnę nei 200 kg, įskaitant jį laikantį nuolatinį magnetą.

Praktikoje žemas guolių levitacinis slėgis, gaunamas nuolatiniam magnetui sąveikaujant su superlaidininku, dažnai pakeliamas įvairiomis hibridinėmis schemomis, kuriose sąveika tarp nuolatinių magnetų porų sudaro didžiąją dalį levitacinės jėgos. Kaip pranašauja Earnshaw teorema, šios sąveikos nėra stabilios, bet gerai suprojektuoto ATS komponento įvedimo pakanka visam guoliui stabilizuoti.

Argonne nacionalinėje laboratorijoje Ilinojuje ir Kembridžo universitete Anglijoje šis didinimas vykdomas Evershed tipo projektu, kuriame nuolatinių magnetų poras veikia traukiamoji levitacija. Hibridinis guolyje, pademonstruotame Hiustono universitete Teksase, panaudoti nuolatiniai magnetai veikiami stumiančiosios levitacijos. Na o Japonijos ATS smagračių programoje aktyvūs magnetiniai guoliai įtaisyti į guolių sistemą, kad suteiktų jai stabilumo.

Keletas esminių parametrų
Šalia levitacinės jėgos, ypatingo susidomėjimo verti parametrai projektuojant ATS guolius yra standumas, svyravimų amplitudės sumažėjimas ir sukimosi nuostoliai. Magnetinis ATS guolio standumas yra žymiai žemesnis nei kitų guolių sistemų. Ši savybė turi pranašumų sukimosi sistemoje, nes visi guolio rezonansai įvyksta kelių hercų laipsnio dažniuose, kas sąlygoja sąlyginai nedideles išcentruojančias jėgas. Toliau standumas sumažėja, kai guolio vibracijos amplitudės pradeda viršyti savo ribinę vertę, kurioje srauto linijos ima judėti į naujus “prisegančius” centrus.
Dar daugiau, histerezinė ATS guolio prigimtis sumažina svyravimus priklausomai nuo jų amplitudės. Žemos amplitudės svyravimai sumažinami nežymiai, bet amplitudei padidėjus, svyravimai mažinami stipriau. Taigi, kažkas panašaus į neigiamą grįžtamąjį ryšį atsveria sistemos tvirtumą.

Nuotraukose:
[2] Ankstyvas aukštos temperatūros superlaidaus smagračio rotorius Argonne nacionalinėje laboratorijoje: ratlankiui panaudotas juodasis anglies pluoštas/epoksidas; įdėtinei detalei, ant kurios įrengtas nuolatinis magnetas ir variklis/generatorius – stiklo kompozitas. Fone matosi vakuuminė kamera, kurioje sukami bandomieji smagračiai.
[3] eksperimentinis aukštos temperatūros superlaidus smagratis, veikiantis Anglijos Kembridžo universitete, sveria daugiau nei 40 kg. Jis yra pakeltas Evershed tipo įrenginio, kuriame superlaidininkas stabilizuoja sąveiką tarp dviejų magnetų. Įrenginys suprojektuotas sulėtinti sukimąsi ore.

(Dėl savo plataus spektro savybių universalumo ir levitacijos, aukštos temperatūros superlaidininkai buvo pasiūlyti naudoti erdvėlaiviams susijungiant, šaldymo mišinio turbininiams siurbliams, magnetiškai keliamam transportui nuo kambarinių transportuotojų iki greitųjų traukinių.)
Tai, kaip lengvai sukasi virš ATS pakeltas nuolatinis magnetas, ir paviršių kontakto nebuvimas sudaro įspūdį, kad sukimasis vyksta be trinties. Nuostoliai visų pirma yra azimutinių magneto įsimagnetinimo nevienarūšiškumų, sukeliančių ATS nuotėkį, rezultatas. Kaip įprasta, nuolatiniuose magnetuose su geriausiais vienarūšiškumais, amplitudė fiksuotame spindulyje virš besisukančio paviršiaus magnetinio lauko sudaro maždaug 1% vidutinio to spindulio lauko. Nors šis nevienodumas ir mažas, jo pakanka sukelti pastebimą sukimosi greičio mažėjimą, magnetui sukantis vakuume.
ATS guolio sukimosi slopime pažymėtinas yra trinties koeficientas, kuris lygus sukimosi slenkančiajai jėgai, padalytai iš levitacinės jėgos (pakelto rotoriaus svorio). Šis mechaninio ritininio guolio trinties koeficientas lygus maždaug 10-3. Aktyviame magnetiniame guolyje jis yra maždaug 10-4, įskaičiavus schemos atsakomosios reakcijos ir elektromagnetinės jėgos parazitinius nuostolius. ATS guolių trinties koeficientas yra žemas: 10-7.
Parazitiniai ATS guolio nuostoliai yra jėga, reikalaujanti laikyti superlaidininką šaltą. Šaldytuvams, veikiantiems maždaug 30% Carnot našumo (teorinis maksimumas), 1 W šilumos pašalinti skysto azoto temperatūroje reikia apie 14 W elektros. Tai, kartu su parazitiniu šaldymo mišinio kameros apkrovimu, žada ATS guolio trinties koeficientą, lygų maždaug 2 x 10-6, grubiai tariant, šimtą kartų geresnį nei geriausio alternatyvaus guolio.
Žemesnius guolių trinties koeficientus galima gauti naudojant kai kuria hibridines aukščiau išvardintas koncepcijas. Pradedant nuo kuklaus 30 metrų per sekundę lanko greičio, rotoriams su tokiu žemu trinties koeficientu prireiktų daugiau nei metų laiko sulėtėti ir sustoti. Hiustono universitete 19 kg rotorius ant ATS guolio sėkmingai sukosi šešias dienas – tiek laiko prireikė jam sustoti nuo kuklaus 100 Hz sukimosi dažnio. Dėl objektyvių priežasčių, mažai eksperimentų trunka taip ilgai. Alternatyvios guolių koncepcijos, kuriose panaudojama ATS technologija, gali pasiekti dar žemesnį trinties koeficientą. Maišyto magnetinio pralaidumo guolis, sukurtas Argonne nacionalinėje laboratorijoje, pademonstravo vos viršijantį 10-9 koeficientą. Šiame guolyje, minkštas didesnio nei 1 magnetinio pralaidumo feromagnetinis cilindras yra pakeliamas traukiamąja levitacija tarp dviejų mažesnio nei 1 magnetinio pralaidumo magnetų, ir stabilizuojamas tarp šių magnetų ir rotoriaus.

[4] Japonijos Shikoku tyrimų institutas pagamino šią smagračių sistemą vakuuminės kameros pagrindu. Smagratis yra 200 Wh klasės sistemos su aukštos temperatūros 180 mm skersmens superlaidininku. Energijos saugojimo sistema pakelia du anglies pluoštu sustiprintus smagračius (abu jie 400 mm skersmens, 40 mm storio ir 6 kg masės) į vakuuminį indą. Sukimasis vyksta be jokio kontakto 16 500 apm sukaupiant 200 Wh energijos.
Schemoje:
—vakuuminis indas
—viršutinis smagratis
—aktyvus viršutinis magnetinis guolis
—generatorius/variklis
—aktyvus žemutinis magnetinis guolis
—žemutinis smagratis
—nuolatinio magneto įrenginys
—skystas azotas
—aukštos temperatūros superlaidininko įrenginys

vakuuminis siurblys

Smagračių programos

Kadangi ATS guoliai veikia beveik be trinties, reikia pasvarstyti jų panaudojimo galimybes energijai kaupti. Smagračiai su įprastiniais guoliais paprastai patiria maždaug 1% per valandą nuostolius dėl tuščiosios eigos. Tikimasi, kad su ATS guoliais šiuos nuostolius galima sumažinti iki 0,1% per valandą. Suderinus su našiais varikliais/generatoriais ir jėgos elektronika (kurie patiria tik 4% įvedimo ir išvedimo nuostolius), galima sukurti 90% paros kaupiamojo našumo smagračius. Tikriausiai yra tik dar viena technologija, galinti pademonstruoti tokį išradingumą – stambus superlaidžios magnetinės energijos saugojimas, naudojant šimtų metrų skersmens superlaidžias rites.

Panaudojant modernius grafito junginių pluoštus iš epoksidines medžiagas, smagračio inertinė dalis gali suktis didesniu nei 1 km/s lanko greičiu ir viršyti pažangiausių baterijų energijos tankius. Šio tipo žemo greičio rotoriaus pavyzdys pavaizduotas Pav.2. Kinetinė energija (dideliame) plastikinės lėkštės (Frisbee) dydžio smagratyje būtų maždaug 1 kWh, tuo tarpu kai žmogaus dydžio smagratis galėtų išsaugoti 20-40 kWh.

Šiuolaikiškiems elektriniams prietaisams būtų naudingas ekonomiškas smagračio energijos kaupimas. Kaip įprasta, pigus prietaisų pagrindinio krūvio pajėgumas yra nepakankamai panaudotas naktį, tuo tarpu kai dieną tenka pilnai išnaudoti brangius gamybos šaltinius poreikiams patenkinti. Sukūrus paros kaupiamąjį tinklą, naktį nepilnai išnaudojamas transmisijos linijos galingumas nepadarytų nuostolių, be to, sustiprėtų energetinė sistema. Šie faktoriai grėsmingai artėja, kadangi stiprėja elektros prietaisų industrijos išsireguliavimas.

Daugybė viso pasaulio grupių dirba am, kad pritaikytų naująją ATS technologiją elektros prietaisų reikmėms. Argonne nacionalinės laboratorijos tyrinėtojai dirba su Britanijos tautų sandraugos tyrinėtojų korporacija, dukterine Commonwealth Edison bendrove, elektros paslaugų tiekėja Čikagos teritorijoje. Kitos aktyvios JAV grupės yra Hiustono universitetas ir Boeing Co., Seattle, Vašingtone. Kembridžo universitetas dirba su IEA (dukterine British Nuclear Fuels PLC bendrove), siekdami panaudoti ATS guolius vietoj mechaninių guolių, ir taip stabilizuoti Evershed nuolatinio magneto įtaisą smagračių sistemoje, dabar gaminamoje IEA. Grupė Forschungszentrum, Karlsruhe, Vokietijoje, taip pat aktyviai dirba su ATS smagračiais. Japonijoje vykdoma stambi nacionalinė ATS smagračių programa remiama New Energy ir pramoninio vystymosi organizacijos (NEDO), kuri įtraukia Ishikawajima-Harima sunkiąją pramonę, Istec Koyo Seiko, Mitsubishi Electric, Nippon Steel, NSK, Shikoku tyrimų institutą ir Tokyo Electric Power.

Tuo tarpu kai pagal pasiūlytas projektų koncepcijas ATS smagračiai gali sukaupti iki 10 MWh, dabartiniai eksperimentiniai variantai priklauso 0,1-1 kWh klasei. Smagračiams lėtai veikiant ore [Pav.3], susiformuoja matomas šaltas kriogeninis garų debesis. Smagračiams veikiant vakuuminėje kameroje [Pav.4], kriogeninės sistemos yra uždaro ciklo, arba išleidžiamos į vakuuminės kameros išorę. Kadangi ATS guolių paviršiai nekontaktuoja , jie veikia be triukšmo. Ateities komercinėse sistemose vakuuminės kameros tikriausiai bus hermetizuotos, todėl nebebus triukšmingų vakuuminių siurblių.

Dar neaišku, ar 10 Mwh vienetai bus sudaryti iš vieno didžiulio monolitinio smagračio, ar iš atskirų elementų, kiekvienas kurių priklausytų 10 kWh klasei. Tačiau aišku, kad ATS technologijų progresas vyksta sparčiai, ir atskiri 10 kWh klasės vienetai bus išbandyti jau per metus.

Tolesniam tyrinėjimui
Reiškinio, susijusio su Meissner’io efektu, apžvalgą rasite F.C.Mcon, Superconducting Levitation (John Wiley, Niujorkas, 1994). Taip pat skaitykite “Magnetic Levitation”, T.D.Rossing ir J.R.Hull, The Physics Teacher, T.29, Nr.9, 1991m. gruodis, 552-62 psl., ir “Rigid levitation and suspension of high-temperature superconductors by magnets”, E.H.Brandt, American Journal of Physics, T.58, Nr.1, 1990m.sausis, 43-49 psl.
Detalesnę smagračių ir medžiagų apžvalgą galima rasti Applied Superconductivity, T.2, Nr.7/8 (1994m.liepa/rugpjūtis). Red.J.R.Hull. Sudarytas iš eilės darbų apie superlaidumo levitaciją ir aukštos temperatūros superlaidžius smagračius.
Neseniai pasirodė eilė populiarių straipsnių apie greitą smagračių panaudojimą. Pažymėtinas “Reinventing the Wheel”, WillHively, Discover, T.17, Nr.8, 1996m. rugpjūtis, 58-68 psl.
Apie autorių
1979m.gavęs Ajovos valstijos universiteto fizikos daktaro laipsnį, John Hull (SM) dirbo etatiniu mokslininku Argonne nacionalinėje laboratorijoje, Argonne, III, kur vadovavo Energijos technologijos padalinio elektromechanikos ir superlaidumo skyriui. Šalia darbo su smagračių energijos kaupimu, ši grupė tiria bendrą levitacinių ir kitokių AT superlaidžių įtaisų: superlaidžių variklių, srovės trukdžių ribotuvų, pritaikomumą, superlaidžios magnetinės energijos saugojimą ir kt. Jis yra Amerikos mechanikos inžinierių draugijos narys.

Leave a Comment