วันนี้ฉันเห็นความคิดเห็นนี้และการสนทนาภายใต้ความคิดเห็นนั้น เมื่อพิจารณาว่าวันนี้ฉันอยู่ในการผลิตสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดฉันต้องการแทรกความคิดเห็นสองสามข้อ แต่เป็นแบบอ่านอย่างเดียว ... ด้วยเหตุนี้ฉันจึงตัดสินใจเขียนบทความสั้น ๆ เกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ในการเริ่มต้น ในกรณีนี้ ฉันต้องการทราบว่าคำว่า "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง" นั้นหมายถึงตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า 77 K (-196 ° C) ซึ่งเป็นจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวราคาถูก ไม่บ่อยนัก ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 35 K จะถูกอ้างถึงเช่นกัน คัพเรตตัวนำยิ่งยวดตัวแรก La 2-x Ba x CuO 4 มีอุณหภูมิเช่นนี้ (สสารมีองค์ประกอบแปรผัน ดังนั้น x) เหล่านั้น. อุณหภูมิ "สูง" ที่นี่ยังคงต่ำมาก

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสองตัว ได้แก่ YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) และ Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223) ได้รับการกระจายหลักแล้ว นอกจากนี้ยังใช้วัสดุที่คล้ายกับ YBCO ซึ่งอิตเทรียมถูกแทนที่ด้วยธาตุหายากชนิดอื่น เช่น แกโดลิเนียม ชื่อทั่วไปของพวกมันคือ ReBCO
ผลิตโดย YBCO และ ReBCO อื่นๆ มีอุณหภูมิวิกฤตที่ 90-95 เค ผลิตโดย BSCCO มีอุณหภูมิวิกฤตถึง 108 เค

นอกจากอุณหภูมิวิกฤตที่สูงแล้ว ReBCO และ BSCCO ยังโดดเด่นด้วยค่าขนาดใหญ่ของสนามแม่เหล็กวิกฤต (ในฮีเลียมเหลวมากกว่า 100 T) และกระแสวิกฤต อย่างไรก็ตามในช่วงหลังทุกอย่างไม่ง่ายนัก ...

ในตัวนำยิ่งยวด อิเล็กตรอนไม่เคลื่อนที่อย่างอิสระ แต่เป็นคู่ (คู่คูเปอร์) หากเราต้องการให้กระแสผ่านจากตัวนำยิ่งยวดหนึ่งไปยังอีกอันหนึ่ง ช่องว่างระหว่างพวกมันจะต้องน้อยกว่าขนาดคุณลักษณะของคู่นี้ สำหรับโลหะและโลหะผสม ขนาดนี้คือหลายสิบหรือหลายร้อยนาโนเมตร แต่ใน YBCO และ BSCCO มันเป็นเพียงไม่กี่นาโนเมตรและเศษส่วนของนาโนเมตร ขึ้นอยู่กับทิศทางของการเคลื่อนที่ แม้แต่ช่องว่างระหว่างเม็ดแต่ละเม็ดของคริสตัลโพลีคริสตัลก็กลายเป็นอุปสรรคที่เห็นได้ชัด ไม่ต้องพูดถึงช่องว่างระหว่างแต่ละชิ้นของตัวนำยิ่งยวด เป็นผลให้เซรามิกที่มีตัวนำยิ่งยวด เว้นแต่จะใช้เทคนิคพิเศษ จะสามารถผ่านกระแสที่ค่อนข้างเล็กผ่านตัวเองได้

วิธีที่ง่ายที่สุดในการแก้ปัญหาคือ BSCCO: เกรนของมันมีขอบเท่ากันตามธรรมชาติ และการบีบอัดเชิงกลที่ง่ายที่สุดทำให้สามารถสั่งเกรนเหล่านี้เพื่อให้ได้ค่ากระแสวิกฤตสูง สิ่งนี้ทำให้สามารถสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นแรกหรือเทปตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นแรกได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย พวกเขาเป็นเมทริกซ์เงินที่มีท่อบาง ๆ ที่เต็มไปด้วย BSCCO เมทริกซ์นี้ถูกทำให้แบนในขณะที่เกรนของตัวนำยิ่งยวดได้รับคำสั่งที่ต้องการ เราได้เทปยืดหยุ่นบางที่มีตัวนำยิ่งยวดแบบแบนแยกออกจากกันจำนวนมาก

อนิจจา วัสดุ BSCCO นั้นห่างไกลจากอุดมคติ: กระแสวิกฤตของมันจะลดลงอย่างรวดเร็วพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของสนามแม่เหล็กภายนอก สนามแม่เหล็กวิกฤตมีขนาดค่อนข้างใหญ่ แต่นานก่อนที่จะถึงขีดจำกัดนี้ มันจะสูญเสียความสามารถในการส่งผ่านกระแสขนาดใหญ่ใดๆ สิ่งนี้จำกัดการใช้เทปตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงอย่างมากเพราะไม่สามารถแทนที่โลหะผสมไนโอเบียม-ไททาเนียมและไนโอเบียม-ดีบุกแบบเก่าที่ดีซึ่งทำงานในฮีเลียมเหลวได้

ReBCO เป็นเรื่องที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่มันยากมากที่จะสร้างการวางแนวเกรนที่ถูกต้อง เมื่อไม่นานมานี้พวกเขาได้เรียนรู้วิธีทำเทปตัวนำยิ่งยวดจากวัสดุนี้ เทปดังกล่าวเรียกว่ารุ่นที่สองได้มาจากการสปัตเตอร์วัสดุที่มีตัวนำยิ่งยวดลงบนพื้นผิวที่มีพื้นผิวพิเศษที่กำหนดทิศทางการเติบโตของผลึก พื้นผิวอย่างที่คุณคาดเดานั้นมีขนาดนาโนเมตร ดังนั้นนี่คือนาโนเทคโนโลยีที่แท้จริง ใน บริษัท มอสโก "SuperOx" ซึ่งจริง ๆ แล้วฉันได้รับโครงสร้างดังกล่าวจะมีการวางชั้นกลางห้าชั้นไว้บนพื้นผิวโลหะซึ่งหนึ่งในนั้นจะถูกฉีดพ่นพร้อมกันด้วยกระแสไอออนที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในมุมหนึ่ง เป็นผลให้ผลึกของชั้นนี้เติบโตในทิศทางเดียวซึ่งเป็นเรื่องยากที่สุดที่ไอออนจะพ่นออกมา ผู้ผลิตรายอื่นซึ่งมีอยู่สี่รายในโลกอาจใช้เทคโนโลยีอื่น อย่างไรก็ตาม เทปในประเทศใช้แกโดลิเนียมแทนอิตเทรียม ซึ่งกลายเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมากกว่า

เทปตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สองกว้าง 12 มม. และหนา 0.1 มม. ในไนโตรเจนเหลวในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกผ่านกระแสได้สูงถึง 500 A ในสนามแม่เหล็กภายนอก 1 T กระแสวิกฤตยังคงสูงถึง 100 A และที่ 5 T - สูงถึง 5 A หากคุณทำให้เทปเย็นลงจนถึงอุณหภูมิของไฮโดรเจนเหลว (โลหะผสมไนโอเบียมที่อุณหภูมินี้จะไม่เข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด) จากนั้นเทปเดียวกันจะสามารถผ่าน 500 A ในช่อง 8 T และ "บางส่วน" 200-300 A - ในสนามระดับสองสามสิบเทสลา (กบบิน) ไม่จำเป็นต้องพูดถึงฮีเลียมเหลว: มีโครงการแม่เหล็กบนเทปเหล่านี้ที่มีสนาม 100 T! จริงอยู่ที่นี่ปัญหาของความแข็งแรงเชิงกลเกิดขึ้นแล้วในการเติบโตเต็มที่: สนามแม่เหล็กมักจะทำลายแม่เหล็กไฟฟ้า แต่เมื่อสนามนี้ไปถึงเทสลานับสิบความทะเยอทะยานของมันก็เป็นจริงได้อย่างง่ายดาย ...

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้ไม่สามารถแก้ปัญหาการเชื่อมต่อตัวนำยิ่งยวดสองชิ้นได้ แม้ว่าคริสตัลจะหันไปในทิศทางเดียวกัน แต่ก็ไม่มีคำถามเกี่ยวกับการขัดผิวด้านนอกให้มีความหยาบในระดับนาโนเมตร ชาวเกาหลีมีเทคโนโลยีในการเผาเทปแต่ละเทปเข้าด้วยกัน แต่ก็ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ โดยทั่วไปแล้ว เทปจะเชื่อมต่อกันโดยการบัดกรีแบบธรรมดาด้วยตะกั่วบัดกรีแบบธรรมดาหรือด้วยวิธีแบบคลาสสิกอื่น แน่นอน ในกรณีนี้ ความต้านทานจำกัดปรากฏบนหน้าสัมผัส ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดจากเทปดังกล่าวที่ไม่ต้องการพลังงานเป็นเวลาหลายปี และมีเพียงสายไฟที่มีการสูญเสียเป็นศูนย์เท่านั้นที่ใช้ไม่ได้ แต่ความต้านทานของหน้าสัมผัสเป็นเศษส่วนเล็ก ๆ ของไมโครโอห์ม ดังนั้นแม้ที่กระแส 500 A จะมีเพียงเศษเสี้ยวของมิลลิวัตต์เท่านั้นที่ปล่อยออกมา

แน่นอน ในบทความวิทยาศาสตร์ยอดนิยม ผู้อ่านกำลังมองหาความบันเทิงเพิ่มเติม ... นี่คือวิดีโอบางส่วนเกี่ยวกับการทดลองของฉันกับเทปตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นที่สอง:

ฉันบันทึกวิดีโอล่าสุดภายใต้ความประทับใจของความคิดเห็นบน YouTube ซึ่งผู้เขียนแย้งว่าไม่มีตัวนำยิ่งยวด และการลอยตัวของแม่เหล็กเป็นผลที่เป็นอิสระจากกันโดยสิ้นเชิง เชิญชวนให้ทุกคนยืนยันว่าเขาพูดถูกโดยการวัดความต้านทานโดยตรง . อย่างที่คุณเห็น ความเป็นตัวนำยิ่งยวดยังคงมีอยู่

ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง (HTSC) เป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์เมื่อไม่นานมานี้เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันผลิตภัณฑ์ที่ทำกำไรในเชิงพาณิชย์ซึ่งอิงจาก HTSC รวมถึงผลิตภัณฑ์ของรัสเซีย กำลังเข้าสู่ตลาดอุปกรณ์พลังงานไฟฟ้า HTSC สามารถสร้างความก้าวหน้าในเทคโนโลยีระบบส่งกำลัง

HTS ไม่ร้อนเลย

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบว่าโลหะและโลหะผสมจำนวนหนึ่งมีลักษณะเป็นตัวนำยิ่งยวด นั่นคือ ความสามารถในการมีความต้านทานเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ (ประมาณ -270 ° C) เป็นเวลานานแล้วที่ตัวนำยิ่งยวดสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิของฮีเลียมเหลวเท่านั้น ซึ่งทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์เร่งความเร็วได้ และเรโซแนนซ์แม่เหล็กการตรวจเอกซ์เรย์

ในปี 1986 มีการค้นพบตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิประมาณ 30 K ซึ่งได้รับรางวัลโนเบล และในต้นปี 1990 เป็นไปได้ที่จะบรรลุความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ 138 K และไม่ใช่โลหะ แต่ใช้สารประกอบออกไซด์เป็นตัวนำยิ่งยวด
วัสดุเซรามิกที่มีความต้านทานเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว (77K) เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTSCs) อย่างไรก็ตาม หากเราแปลงหน่วยเคลวินเป็นองศาเซลเซียสซึ่งเราคุ้นเคยมากกว่า เราจะเข้าใจว่าเรากำลังพูดถึงอุณหภูมิที่ไม่สูงเกินไป เช่น ประมาณลบ 169–200 องศาเซลเซียส แม้แต่ฤดูหนาวของรัสเซียที่รุนแรงก็ไม่สามารถให้เงื่อนไขดังกล่าวได้

จิตใจของนักวิจัยตื่นเต้นกับแนวคิดในการหาวัสดุที่สามารถไปได้ เป็นตัวนำยิ่งยวดสถานะที่อุณหภูมิห้อง (293K) ในทางทฤษฎีมีความเป็นไปได้ดังกล่าว ตามรายงานบางฉบับ กล่าวหาว่าคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดสามารถแก้ไขได้แม้ในกราไฟต์แต่ละเม็ดหลังจากผ่านกระบวนการพิเศษ จนถึงปัจจุบัน การค้นหาตัวนำยิ่งยวด "อุณหภูมิห้อง" (RTSC) ถือเป็นหนึ่งในงานวิจัยหลักในด้านนาโนเทคโนโลยี อย่างไรก็ตาม ไม่เพียงแต่การใช้งานจริงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการยืนยันการทดลองที่เชื่อถือได้ของ RTFT ยังคงเป็นคำถามในวันพรุ่งนี้ อุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าในปัจจุบันเชี่ยวชาญการใช้ HTSC

อุปกรณ์ที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจำเป็นต้องระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลว ตามที่ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมระบุว่านี่คือสารทำความเย็นที่ค่อนข้างถูกและสะดวกซึ่งมีอุณหภูมิ 77K และช่วยให้คุณดำเนินโครงการได้จริง

ประโยชน์ของตัวนำยิ่งยวด

สามารถใช้ตัวนำยิ่งยวด (และกำลังใช้อยู่) ในหลากหลายสาขา มันถูกนำไปใช้ครั้งแรกในการสร้างแม่เหล็กที่มีสนามแม่เหล็กสูง ด้วยความช่วยเหลือของตัวนำยิ่งยวด แม่เหล็กลอยได้ ทำให้รถไฟความเร็วสูงเคลื่อนที่ได้อย่างราบรื่น ปราศจากเสียงรบกวนและแรงเสียดทาน กำลังสร้างมอเตอร์ไฟฟ้า HTSC สำหรับเรือ และอุตสาหกรรมซึ่งมีพารามิเตอร์น้ำหนักและขนาดที่เล็กลงอย่างมากโดยมีกำลังเท่ากัน ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นสิ่งที่น่าสนใจจากมุมมองของไมโครอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำถูกใช้ในอุปกรณ์วินิจฉัยทางการแพทย์ (โทโมกราฟ) และแม้แต่ในโครงการ "วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่" ที่แปลกใหม่ เช่น Large Hadron Collider และ International Thermonuclear Reactor

ความหวังเกี่ยวข้องกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงสำหรับการเอาชนะภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกด้านพลังงานทั่วโลก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในปัจจุบันและอนาคต และในทางกลับกัน ด้วยความต้องการลดการปล่อยคาร์บอนลงอย่างมากเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ที่จริงแล้ว HTSC ได้นำอุปกรณ์ปกติสำหรับผลิตและส่งกระแสไฟฟ้าออกมา โดยพื้นฐานแล้วระดับใหม่ในแง่ของประสิทธิภาพ

การประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดที่ชัดเจนที่สุดอย่างหนึ่งคือการส่งกระแสไฟฟ้า สายเคเบิล HTSC สามารถส่งกำลังไฟฟ้าที่มีหน้าตัดขั้นต่ำ นั่นคือ มีแบนด์วิธที่แตกต่างจากสายเคเบิลแบบดั้งเดิม เมื่อกระแสผ่านตัวนำยิ่งยวด จะไม่มีความร้อนเกิดขึ้น และไม่มีการสูญเสียใดๆ ในทางปฏิบัติ นั่นคือปัญหาหลักของเครือข่ายการกระจายจะได้รับการแก้ไข

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องขอบคุณขดลวด จากตัวนำยิ่งยวดวัสดุที่ให้สนามแม่เหล็กขนาดใหญ่จะมีพลังมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ข้อกังวลของ Siemens ได้สร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า HTSC สามเครื่องที่มีกำลังการผลิตสูงสุด 4 เมกะวัตต์ เครื่องนี้เบากว่าครึ่งหนึ่งและเล็กกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไปที่มีกำลังเท่ากัน นอกจากนี้ เครื่องกำเนิด HTS ยังแสดงความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าที่มากขึ้นระหว่างการเปลี่ยนแปลงโหลดและคุณลักษณะที่สูงขึ้นในแง่ของการใช้พลังงานรีแอกทีฟ

ปัจจุบัน ทั่วโลกกำลังพัฒนากังหันลมโดยใช้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง โดยใช้ขดลวด HTSC เป็นเรื่องจริงที่จะสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า HTSC ที่มีความจุ 10 เมกะวัตต์ ซึ่งจะเบากว่าเครื่องทั่วไป 2-4 เท่า

พื้นที่ที่มีแนวโน้มสำหรับการใช้ตัวนำยิ่งยวดอย่างแพร่หลายคือการกักเก็บพลังงาน ซึ่งมีบทบาทอย่างมากในแง่ของการพัฒนาระบบพลังงานสมัยใหม่โดยใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน แม้แต่อุปกรณ์ไฟฟ้าที่คุ้นเคย เช่น หม้อแปลง ก็ยังมีคุณสมบัติใหม่เชิงคุณภาพด้วย HTSC

ตัวนำยิ่งยวดช่วยให้คุณสร้างอุปกรณ์ที่ผิดปกติ เช่น ตัวจำกัดกระแสลัดวงจร ซึ่งจะจำกัดกระแสโดยอัตโนมัติอย่างเต็มที่ระหว่างการลัดวงจร และโดยอัตโนมัติเปิดเมื่อไฟฟ้าลัดวงจรถูกถอดออก

เทปรุ่นที่สอง

แนวคิดใดที่มีแนวโน้มเหล่านี้ได้ถูกนำไปปฏิบัติแล้ว และด้วยความพยายามของใคร? ประการแรกควรสังเกตว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงของรุ่นแรกและรุ่นที่สอง (HTSC-1 และ HTSC-2) อยู่ในตลาด ในแง่ของปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจนถึงปัจจุบัน HTSC-1 ชนะจนถึงตอนนี้ แต่ผู้เชี่ยวชาญเห็นได้ชัดว่าในอนาคต นอกเหนือจากตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สอง. เนื่องจากในการออกแบบตัวนำยิ่งยวด HTSC-2 มากกว่า 70% เป็นเมทริกซ์ที่ทำจากเงิน

หนึ่งในบริษัทสำคัญของรัสเซียที่ทำงานเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สองคือ CJSC SuperOx มันเกิดขึ้นภายในกำแพงของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโกซึ่งตั้งชื่อตาม Lomonosov ซึ่งกลุ่มวิทยาศาสตร์ของคณะเคมีทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีการทับถมของฟิล์มบางของตัวนำยิ่งยวด ในปี 2549 จากความรู้ที่สั่งสมมา โครงการเชิงพาณิชย์ได้เปิดตัวเพื่อสร้างการผลิตสายไฟ HTSC รุ่นที่ 2 ภายในประเทศ

ในปี 2554 พื้นที่ที่น่าสนใจของ SuperOx ได้ขยายออกไปโดยความร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับ SuperOx Japan LLC ที่สร้างขึ้นใหม่ มีการตั้งค่าสายการผลิตนำร่องเพื่อผลิตลวด HTSC ที่มีกระแสวิกฤตกว้างถึง 500 A/cm ตั้งแต่ปี 2011 SuperOx-Innovations ยังเป็นผู้อาศัยของ Skolkovo ซึ่งดำเนินการวิจัยประยุกต์โดยมุ่งปรับคุณลักษณะทางเทคนิคของเทป HTSC รุ่นที่สองให้เหมาะสม และพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ สำหรับการผลิตวัสดุเหล่านี้ ในปี 2013 การผลิตเทป HTSP-2 ได้เปิดตัวในสวนอุตสาหกรรมมอสโก Slava

Vadim Amelichev ผู้เชี่ยวชาญชั้นนำของ SuperOx CJSC กล่าวว่า "ผลิตภัณฑ์ของเราซึ่งเป็นเทปตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สอง เป็นสารตั้งต้นที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมพิเศษที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูง ซึ่งต่อมาจะไม่สูญเสียคุณสมบัติเชิงกลเมื่อติดฟิล์มบาง" - ใช้วิธีการพิเศษ ชั้นบัฟเฟอร์ออกไซด์ถูกนำไปใช้กับสารตั้งต้นนี้ และใช้ฟิล์มแกโดลิเนียม-แบเรียมคัพเรตเป็นชั้นการทำงาน จากนั้นโครงสร้างนี้จะถูกปกคลุมด้วยชั้นเงินหรือทองแดงบาง ๆ และจะใช้ในรูปแบบนี้ ในตัวนำยิ่งยวดอุปกรณ์

ด้วยความหนาของฟิล์มเพียงหนึ่งหรือสองไมครอน วัสดุดังกล่าวมีความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าประมาณ 500 A ต่อ 1 มม.² ของหน้าตัด ซึ่งมากกว่าสายเคเบิลทองแดงทั่วไปหลายร้อยเท่า ด้วยเหตุนี้ เทปนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าสูง สายไฟสำหรับกระแสสูง, แม่เหล็กสำหรับสนามขนาดใหญ่ - การใช้งานหลัก

SuperOx มีวงจรการผลิตเต็มรูปแบบสำหรับเทป HTSP-2 ในปี 2555 การขายผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้เริ่มต้นขึ้น และขณะนี้วัสดุไม่ได้ถูกส่งไปยังรัสเซียเท่านั้น แต่ และส่งออกในเก้าประเทศ ได้แก่ สหภาพยุโรป ญี่ปุ่น ไต้หวัน และนิวซีแลนด์
“มีผู้ผลิตเทป HTSC-2 ไม่มากในโลก” Vadim Amelichev อธิบาย - มีบริษัทอเมริกันสองบริษัท บริษัทในเกาหลีใต้และญี่ปุ่น ในยุโรปไม่มีใครผลิตเทปดังกล่าวในระดับอุตสาหกรรมนอกจากเราแล้ว เทปของเราได้รับการทดสอบในศูนย์วิจัยหลายแห่งและยืนยันความสามารถในการแข่งขัน ลักษณะของมัน”

พัฒนาอุตสาหกรรมใหม่

“แม้จะมีความจริงที่ว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงปรากฏขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ แต่ปัญหาของการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีกำลังได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้น ในทางเทคโนโลยีประเทศที่พัฒนาแล้วของโลก - Viktor Pantsyrny, Doctor of Technical Sciences, สมาชิกเต็มรูปแบบของ AES ของสหพันธรัฐรัสเซีย, ผู้อำนวยการฝ่ายพัฒนาของ Russian Superconductor JSC, - ในประเทศของเราภายใต้กรอบของคณะกรรมาธิการภายใต้ประธานาธิบดีแห่งรัสเซีย สหพันธ์เพื่อความทันสมัย และเทคโนโลยีการพัฒนาเศรษฐกิจของรัสเซีย โครงการ "อุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวด" ได้ริเริ่มขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ "นวัตกรรมพลังงาน" ในพื้นที่ลำดับความสำคัญ "ประสิทธิภาพพลังงาน"

โครงการนี้ในอุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวดได้รับการประสานงานโดย บริษัท ตัวนำยิ่งยวดของรัสเซียซึ่งสร้างขึ้นโดย Rosatom State Corporation ในช่วงระยะเวลาห้าปีตั้งแต่ปี 2554 ถึง 2558 มีการวางแผนที่จะสร้างเทคโนโลยีที่แข่งขันได้สำหรับการผลิตตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นที่สอง การผลิตนำร่องของสายเทป HTSC-2 ที่มีความยาวยาว (สูงถึง 1,000 ม.) และ พัฒนาต้นแบบอุปกรณ์ที่ใช้สายไฟ HTSC-2 สำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า นี่คือเครื่องปั่นไฟพลังงานสูงและตัวจำกัดกระแส (COT) และตัวกักเก็บพลังงานจลน์ (KNE) รวมถึงตัวนำกระแสที่ทรงพลังสำหรับระบบแม่เหล็ก การเก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำ (SPIN) หม้อแปลงไฟฟ้า มอเตอร์ไฟฟ้ากำลังสูง

ตั้งแต่ปี 2559 เป็นต้นมา มีการวางแผนที่จะเปิดตัวการผลิตจำนวนมากของสายไฟ HTSC-2 และอุปกรณ์จำนวนหนึ่งที่อิงตามสายดังกล่าว องค์กรประมาณ 30 แห่งมีส่วนร่วมในโครงการนี้ รวมถึงมหาวิทยาลัย ศูนย์วิชาการและการวิจัยอุตสาหกรรม สำนักออกแบบ และองค์กรอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง VNIINM JSC, NIIEFA JSC, NIITFA JSC, GIREDMET JSC, JSC NIFHI, JSC TVEL, JSC Tochmash และ นอกนั้นที่ศูนย์วิจัยแห่งชาติ "Kurchatov Institute", ENIN พวกเขา. ครีซฮานอฟสกี้สถาบันการศึกษางบประมาณของรัฐบาลกลาง MAI, NRNU MEPhI, GUAP, OJSC Rosseti, OJSC NTC FGC UES, CJSC SuperOks, OJSC VNIIKP, OJSC NIIEM, OKB Yakor เป็นต้น

“ในเชิงโครงสร้าง โปรเจกต์ประกอบด้วยงานเก้าอย่างที่ทำควบคู่กันไป” Viktor Pantsyrny อธิบาย - ตั้งแต่ปี 2554 ถึง 2556 จัดการเพื่อสร้างเครื่องตัวนำยิ่งยวดแบบจำลองการทำงานในประเทศเครื่องแรก - เครื่องยนต์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 50 กิโลวัตต์ อุปกรณ์เก็บพลังงานจลน์ขนาด 0.5 MJ ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรตัวนำยิ่งยวดขนาด 3.5 เมกะวัตต์สำหรับเครือข่ายไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้า 3.5 kV ตัวนำยิ่งยวดขนาด 10 kVA หม้อแปลง, กระแสสำหรับระบบแม่เหล็ก, กระแสผ่าน 1500A.

นอกจากนี้ รากฐานของเทคโนโลยีสำหรับการผลิตสายริบบิ้น HTSC-2 ภายในประเทศได้ถูกสร้างขึ้นโดยเริ่มจากวัตถุดิบและสิ้นสุดด้วยวิธีการควบคุมผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป พบโซลูชันทางเทคโนโลยีหลักซึ่งทำให้สามารถดำเนินการสร้างต้นแบบอุปกรณ์พลังงานเต็มรูปแบบได้ ดังนั้นงานสร้างเครื่องยนต์ขนาด 200 กิโลวัตต์จึงเสร็จสมบูรณ์

ด้วยการใช้ขดลวด HTSC-2 เมื่อติดตั้งเครื่องยนต์ดังกล่าว สู่รถยนต์ไฟฟ้า(รถบัสไฟฟ้า) จะเพิ่มระยะทาง 15-20% ระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ มีการผลิตตัวจำกัดกระแสลัดวงจรตัวนำยิ่งยวดที่มีกำลังมากกว่า 7 MVA และกำลังเตรียมสำหรับการทดสอบในเครือข่ายการขนส่งทางรถไฟ การผลิตเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 1 MVA ซึ่งคาดว่าจะใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานลมใกล้จะเสร็จสมบูรณ์แล้ว
ด้วยเทคโนโลยีเฉพาะของ Rosatom กำลังสร้างอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานจลน์ ด้วยตัวนำยิ่งยวดระบบกันสะเทือนมู่เล่ซึ่งมีความเข้มของพลังงานมากกว่า 7 MJ ควรสังเกตการพัฒนาอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำที่สามารถส่งพลังงานสะสมได้ถึงหลาย MJ ในเวลาอันสั้น งานเกี่ยวกับการสร้างหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดที่มีความจุ 1,000 kVA ก็อยู่ในขั้นตอนสุดท้ายเช่นกัน

“นอกจากนี้ ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของโครงการคือการสร้างการทดลองที่ทรงพลัง และเทคโนโลยีพื้นฐานเช่นเดียวกับการจัดตั้งทีมผู้เชี่ยวชาญที่มีคุณสมบัติสูงในสาขาเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด - Viktor Pantsyrny กล่าวสรุป - ในปีนี้ สายการผลิตและการวิจัยที่ซับซ้อนสำหรับการผลิตตัวนำยิ่งยวดแบบริบบิ้น HTSC-2 โดยการระเหยด้วยเลเซอร์จะเริ่มดำเนินการที่สถาบันวิจัยแห่งชาติ Kurchatov บรรทัดนี้จะกลายเป็นเครื่องมือสำหรับการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของวัสดุ HTSC โดยใช้โครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์อันทรงพลังของ Kurchatov NBICS Center ในระดับสูงสุด สิ่งนี้จะทำให้สามารถพัฒนาพื้นที่ที่มีเทคโนโลยีสูงที่มีแนวโน้มเป็นผู้นำได้อย่างเข้มข้น ไปสู่เชิงพาณิชย์เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด"

สายไฟฟ้ากระแสสลับ

เป็นไปไม่ได้ที่จะไม่บอกเกี่ยวกับโครงการรัสเซียเพื่อสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดยาว 200 ม. JSC "พลังงานสถาบัน พวกเขา. จี.เอ็ม. ครีซฮานอฟสกี้"(อีนิน), JSC "รัสเซียทั้งหมดสถาบันวิจัยอุตสาหกรรมเคเบิล (VNIIKP), สถาบันการบินมอสโก และ OAO NTC Electric Power Industry การพัฒนาเริ่มขึ้นในปี 2548 และในปี 2552 ได้มีการสร้างต้นแบบขึ้น ซึ่งผ่านการทดสอบที่สถานที่ทดสอบเฉพาะที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษ

ข้อได้เปรียบหลักของสายเคเบิล HTSC คือโหลดกระแสไฟฟ้าสูง การสูญเสียต่ำ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และความปลอดภัยจากอัคคีภัย นอกจากนี้ เมื่อส่งพลังงานสูงผ่านสายเคเบิลดังกล่าวที่แรงดันไฟฟ้า 10–20 kV ก็ไม่จำเป็นต้องใช้สถานีย่อยระดับกลาง

สายเคเบิล HTSC เป็นโครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อน องค์ประกอบตลับลูกปืนกลางทำในรูปแบบของเกลียวสแตนเลสล้อมรอบด้วยมัดทองแดงและลวดสแตนเลสพันด้วยเทปทองแดง เทปตัวนำยิ่งยวดสองชั้นวางอยู่เหนือองค์ประกอบส่วนกลาง และฉนวนไฟฟ้าแรงสูงวางอยู่ด้านบน ตามด้วยการใช้หน้าจอตัวนำยิ่งยวด ชั้นของเทปทองแดงที่มีความยืดหยุ่นห่อหุ้มด้วยเทปสแตนเลส แกนของสายเคเบิลแต่ละเส้นถูกดึงเข้าไปในเครื่องทำความเย็นแบบยืดหยุ่นยาว 200 ม.

การสร้างการออกแบบหลายองค์ประกอบนี้มีความซับซ้อนเนื่องจากเทป HTSC นั้นไวมาก ส่วนหลักของการดำเนินการทางเทคโนโลยีนั้นดำเนินการบนพื้นฐานของ OAO VNIIKP อย่างไรก็ตามสำหรับการผลิตฉนวนไฟฟ้าแรงสูง สายเคเบิลถูกนำไปยังเมือง Perm ไปยังโรงงานเคเบิล Kamsky

Alexander Azanov รองหัวหน้าฝ่ายเทคโนโลยีของ Kamsky Cable LLC กล่าวว่า "สำหรับสายเคเบิล HTSC เราได้ดำเนินการโดยใช้ฉนวนกระดาษ" - มีการใช้อุปกรณ์ที่ไม่เหมือนใครซึ่งก่อนหน้านี้ใช้สำหรับการผลิตสายเคเบิลเติมน้ำมันแรงสูง นั่นคือเหตุผลที่พวกเขาไม่มีทรัพยากรสำหรับการจัดส่งผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปจากมอสโกไปยังระดับการใช้งานและกลับ และฉันคิดว่าในขณะนี้สำหรับการผลิตสายเคเบิลพิเศษดังกล่าว ขอแนะนำให้ใช้อุปกรณ์พิเศษที่ติดตั้งในโรงงานต่างๆ แทนที่จะจัดการผลิตในที่เดียว

ในอนาคตอันใกล้นี้ไม่น่าเป็นไปได้ที่องค์กรของการผลิตสายเคเบิลนี้จำนวนมากที่โรงงานของเราหรือที่อื่น ๆ เนื่องจากการติดตั้งสาย ด้วยตัวนำยิ่งยวดผลิตน้อยมากและมีความยาวสั้นมาก (ไม่เกิน 1 กม.) เหตุผลหลักคือค่าใช้จ่ายของสายเคเบิล HTSC และการบำรุงรักษา (จำเป็นต้องปั๊มไนโตรเจนเหลวผ่านสายเคเบิลอย่างต่อเนื่อง)”

สายไฟฟ้ากระแสตรง

จนถึงปัจจุบัน การพัฒนาในด้านการสร้างสายเคเบิล HTSC ยังคงดำเนินต่อไป JSC FGC UES และ JSC NTC FGC UES กำลังดำเนินการวิจัยและพัฒนาร่วมกัน "การสร้างสายไฟฟ้ากระแสตรงตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสำหรับแรงดันไฟฟ้า 20 kV ที่กระแส 2,500 A ความยาวสูงสุด 2,500 เมตร" ต้นแบบแรกของระบบส่งกำลังนวัตกรรมแห่งอนาคต - สายเคเบิลสองขั้ว HTSC ยาว 30 ม. ต่อเส้น พัฒนาที่ STC FGC UES และผลิตที่โรงงาน Irkutskkabel - ผ่านกระแสไฟได้สำเร็จ และไฟฟ้าแรงสูงการทดลองในปี 2556

ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2557 ได้มีการทดสอบชุดอุปกรณ์คอนเวอร์เตอร์สำหรับนวัตกรรมการส่งกระแสไฟฟ้าขนาด 50 เมกะวัตต์ โดยใช้สายตัวนำยิ่งยวดยาวหลายร้อยเมตร การใช้สายเคเบิล HTSC สำหรับการจ่ายไฟของเมืองใหญ่จะทำให้สามารถลดพื้นที่จัดสรรที่ดินได้ จากการก่อสร้างสายเหนือศีรษะและลดการสูญเสียพลังงาน

ศูนย์ R&D ของ FGC UES ตั้งข้อสังเกตว่าสายเคเบิล DC ที่ใช้ HTSC มีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับสายไฟ AC ไม่เพียงช่วยให้คุณส่งพลังงานโดยมีความสูญเสียน้อยที่สุด แต่ยังจำกัดกระแสลัดวงจร ควบคุมพลังงานปฏิกิริยา ควบคุมการไหลของพลังงาน และรับประกันการพลิกกลับ

Vitaly Vysotsky, Doctor of Technical Sciences, Academician of the AES of the Russian Federation, Director of Science - Head กล่าวว่า “เป็นเรื่องดีที่ได้ทราบว่าผู้พัฒนาสายเคเบิล HTSC ของรัสเซียอยู่ในระดับแนวหน้า แผนกสายไฟและสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดของ JSC "VNIIKP" - ตัวอย่างเช่น สายเคเบิลยาว 200 ม. เคยใหญ่ที่สุดในยุโรปในปี 2552-2556 และในปี 2557 เท่านั้นที่มีการติดตั้งสายเคเบิลยาว 1 กม. ในเยอรมนี แต่สถิตินี้จะถูกทำลายด้วยการทดสอบสายเคเบิล 2.5 กม. สำหรับเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก”

จากการสนับสนุนของรัฐสู่การลงทุนของเอกชน

ผู้เชี่ยวชาญทำนายการพัฒนาที่ค่อนข้างแข็งขันของโลกและตลาดตัวนำยิ่งยวดของรัสเซีย ดังนั้น Andrei Vavilov ประธานคณะกรรมการบริหารของ CJSC SuperOx จึงตั้งข้อสังเกตว่าปริมาณตลาด HTSC ทั่วโลกเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกปี และจะสูงถึง 1 พันล้านดอลลาร์ในปี 2560 ขณะที่ส่วนแบ่งของรัสเซียในตลาดโลกอยู่ที่ประมาณ 10% .

“ตลาดสำหรับตัวนำยิ่งยวดสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าต้องพัฒนา เนื่องจากความหนาแน่นของการใช้พลังงานมีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง และเป็นไปไม่ได้ที่จะรองรับความต้องการที่เพิ่มขึ้นหากไม่มีตัวนำยิ่งยวด” Vitaly Vysotsky มั่นใจ - อย่างไรก็ตาม วิศวกรไฟฟ้ามีความอนุรักษ์นิยมมากเมื่อเทียบกับสิ่งใหม่ๆ หรือแม้กระทั่ง และมีราคาแพงดังนั้นสำหรับตอนนี้ ภารกิจหลักยังคงเป็นการส่งเสริมโครงการใหม่โดยได้รับการสนับสนุนจากองค์กรของรัฐ สิ่งนี้จะพิสูจน์ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวด การเกิดขึ้นของโครงการใหม่จะทำให้เกิดความต้องการในการผลิตเทป HTSC เพิ่มผลผลิตและลดราคา ซึ่งจะช่วยพัฒนาตลาดอีกครั้ง”

“ในขั้นตอนนี้ การแก้ปัญหาอย่างครอบคลุมของงานทั้งหมดที่ตั้งไว้นั้นเป็นไปไม่ได้หากไม่ได้รับความช่วยเหลืออย่างรอบด้านจากรัฐ แต่ความน่าดึงดูดใจในการลงทุนของเทคโนโลยี HTSC นั้นเพิ่มขึ้นทุกปี ซึ่งทำให้สามารถคาดหวังถึงการไหลเข้าของการลงทุนภาคเอกชนในเชิงพาณิชย์ต่อไป การพัฒนาด้วยความมั่นใจระดับสูง” Viktor Pantsyrny เห็นด้วยกับเพื่อนร่วมงานของเขา
ผู้เชี่ยวชาญมีความยินดีที่โดยทั่วไปในระดับรัฐมีความเข้าใจถึงความสำคัญของเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด
“การพัฒนาอุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวดมีความสำคัญระดับชาติและเป็นส่วนสำคัญของการเปลี่ยนแปลง สู่นวัตกรรมเส้นทางการพัฒนาเศรษฐกิจของประเทศ สิ่งนี้ได้รับการระบุไว้เมื่อเร็ว ๆ นี้ในการประชุมที่ขยายตัวของสภาที่ปรึกษาภายใต้ประธานคณะกรรมการพลังงานแห่งรัฐดูมาแห่งสหพันธรัฐรัสเซียโดยเฉพาะอย่างยิ่งมีข้อสังเกตว่าเพื่อให้แน่ใจว่าความเป็นอิสระทางเศรษฐกิจและการเมืองของรัสเซีย มีความจำเป็นเชิงกลยุทธ์ที่จะต้องมีการผลิตภายในประเทศในระดับต่ำ และอุณหภูมิสูงวัสดุตัวนำยิ่งยวด อุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวด และผลิตภัณฑ์ที่ใช้วัสดุเหล่านี้” Viktor Pantsyrny กล่าว

แผนการในอนาคต

เราขอให้ผู้เชี่ยวชาญประเมินว่าการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดแบบใดที่พวกเขาเห็นว่ามีแนวโน้มมากที่สุด และจุดที่พวกเขาสามารถคาดหวังการใช้เทคโนโลยีเชิงพาณิชย์ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

“เช่นเดียวกับทั่วโลก ในรัสเซียทุกวันนี้ โครงการสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดมีความก้าวหน้ามากที่สุด พวกเขาต้องและเราหวังว่าจะพัฒนา - Vitaly Vysotsky กล่าว - สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดที่ใช้ HTSC นั้นเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ล้วน ๆ อยู่แล้ว แม้ว่าจะยังมีราคาค่อนข้างแพงก็ตาม จะมีราคาถูกลงเมื่อเริ่มเปิดตัวอย่างแพร่หลายและต้องใช้เทป HTS จำนวนมาก ซึ่งจะช่วยลดต้นทุน การผลิตของพวกเขา

อย่างไรก็ตามในความคิดของฉัน สิ่งที่จำเป็นที่สุด และเป็นที่ต้องการสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้ามีตัวจำกัดกระแสลัดวงจรตัวนำยิ่งยวดสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 100 kV ขึ้นไป ไม่มีอุปกรณ์ทั่วไปของระดับแรงดันไฟฟ้านี้และความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ที่นี่ โครงการดังกล่าวกำลังถูกกล่าวถึงในประเทศของเราแล้ว นอกจากนี้ ในความคิดของฉัน เครื่องจักร HTSC สำหรับกังหันลมมีแนวโน้มที่ดี พวกเขาสัญญาว่าจะลดน้ำหนักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องเดียวอย่างมีนัยสำคัญ (หลายเท่า) และเพิ่มกำลังเครื่องเดียว

“ทุกวันนี้ ตัวขับเคลื่อนการพัฒนาตลาดสำหรับผลิตภัณฑ์ตัวนำยิ่งยวดคืออุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า (สายไฟและตัวจำกัดกระแสไฟ)” อันเดรย์ วาวิลอฟเชื่อ - แต่ในอุตสาหกรรมอื่น ๆ จำนวนมากมีศักยภาพที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น ปัจจุบันมีการพัฒนาตัวเลือกสำหรับการใช้ลวด HTSC เพื่อทดแทนตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำอย่างมีประสิทธิภาพในเทคโนโลยีตัวเร่งความเร็วที่ใช้ในงานวิทยาศาสตร์ การผลิตไอโซโทป และการแพทย์ รัสเซียมีแผนใหญ่ในด้านนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การก่อสร้าง NICA Collider ที่ทันสมัยใน Dubna

การสร้างเครื่องจักรหมุนที่มีประสิทธิภาพพร้อมคุณลักษณะการยึดเกาะที่เป็นเอกลักษณ์ มวลและน้ำหนักที่ต่ำนั้นมีศักยภาพที่ดี เครื่องยนต์ดังกล่าวเป็นที่ต้องการเป็นหลักเพื่อให้แน่ใจว่าการเคลื่อนที่ของเรือขนาดใหญ่และสามารถใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้ ในพลังงานหมุนเวียนพลังงาน.

ปรากฏการณ์การลอยตัวของแม่เหล็กได้เปิดมุมมองใหม่อย่างสมบูรณ์ในวันนี้ สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงระบบขนส่งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเครื่องมือควบคุมแบบไม่สัมผัส ตลอดจนตลับลูกปืนที่ทนทานพร้อมการใช้งานที่หลากหลาย”

“การพัฒนาเพิ่มเติมของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจะส่งผลทวีคูณที่เด่นชัดไม่เพียงเท่านั้น ในอุตสาหกรรมไฟฟ้าแต่ยังรวมไปถึงอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อวกาศ การบิน การเดินเรือ ยานยนต์ และทางรถไฟการขนส่ง วิศวกรรมเครื่องกล โลหะวิทยา อิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์ เทคโนโลยีตัวเร่งปฏิกิริยา เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดยังมีความสำคัญต่อการเสริมสร้างศักยภาพการป้องกันประเทศอีกด้วย” Viktor Pantsyrny เชื่อมั่น

กล่าวอีกนัยหนึ่ง การพัฒนาต่อไปของเทคโนโลยีที่อาศัยตัวนำยิ่งยวดเป็นการเปิดโอกาสที่ยิ่งใหญ่สำหรับมนุษยชาติ และในอนาคตอันใกล้นี้

ตัวนำยิ่งยวดนำรัสเซียไปข้างหน้า

ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง (HTSC) เป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์เมื่อไม่นานมานี้เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันผลิตภัณฑ์ที่ทำกำไรในเชิงพาณิชย์ซึ่งอิงจาก HTSC รวมถึงผลิตภัณฑ์ของรัสเซีย กำลังเข้าสู่ตลาดอุปกรณ์พลังงานไฟฟ้า

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบว่าโลหะและโลหะผสมจำนวนหนึ่งมีลักษณะเป็นตัวนำยิ่งยวด นั่นคือ ความสามารถในการมีความต้านทานเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ (ประมาณ -270 ° C) เป็นเวลานานแล้วที่ตัวนำยิ่งยวดสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิของฮีเลียมเหลวเท่านั้น ซึ่งทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์เร่งความเร็วและเอกซ์เรย์เรโซแนนซ์แม่เหล็กได้

ในปี 1986 มีการค้นพบตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิประมาณ 30 K ซึ่งได้รับรางวัลโนเบล และในต้นปี 1990 เป็นไปได้ที่จะบรรลุความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ 138 K และไม่ใช่โลหะ แต่ใช้สารประกอบออกไซด์เป็นตัวนำยิ่งยวด

วัสดุเซรามิกที่มีความต้านทานเป็นศูนย์ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว (77K) เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTSCs) อย่างไรก็ตาม หากเราแปลงหน่วยเคลวินเป็นองศาเซลเซียสซึ่งเราคุ้นเคยมากกว่า เราจะเข้าใจว่าเรากำลังพูดถึงอุณหภูมิที่ไม่สูงเกินไป เช่น ประมาณลบ 169–200 องศาเซลเซียส แม้แต่ฤดูหนาวของรัสเซียที่รุนแรงก็ไม่สามารถให้เงื่อนไขดังกล่าวได้
จิตใจของนักวิจัยตื่นเต้นกับแนวคิดในการค้นหาวัสดุที่สามารถเข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง (293K) ในทางทฤษฎีมีความเป็นไปได้ดังกล่าว ตามรายงานบางฉบับ กล่าวหาว่าคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดสามารถแก้ไขได้แม้ในกราไฟต์แต่ละเม็ดหลังจากผ่านกระบวนการพิเศษ จนถึงปัจจุบัน การค้นหาตัวนำยิ่งยวด "อุณหภูมิห้อง" (RTSC) ถือเป็นหนึ่งในงานวิจัยหลักในด้านนาโนเทคโนโลยี อย่างไรก็ตาม ไม่เพียงแต่การใช้งานจริงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการยืนยันการทดลองที่เชื่อถือได้ของ RTFT ยังคงเป็นคำถามในวันพรุ่งนี้ อุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าในปัจจุบันเชี่ยวชาญการใช้ HTSC

อุปกรณ์ที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจำเป็นต้องระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลว ตามที่ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมระบุว่านี่คือสารทำความเย็นที่ค่อนข้างถูกและสะดวกซึ่งมีอุณหภูมิ 77K และช่วยให้คุณดำเนินโครงการได้จริง

ประโยชน์ของตัวนำยิ่งยวด

สามารถใช้ตัวนำยิ่งยวด (และกำลังใช้อยู่) ในหลากหลายสาขา มันถูกนำไปใช้ครั้งแรกในการสร้างแม่เหล็กที่มีสนามแม่เหล็กสูง ด้วยความช่วยเหลือของตัวนำยิ่งยวด แม่เหล็กลอยได้ ทำให้รถไฟความเร็วสูงเคลื่อนที่ได้อย่างราบรื่น ปราศจากเสียงรบกวนและแรงเสียดทาน กำลังสร้างมอเตอร์ไฟฟ้า HTSC สำหรับเรือและอุตสาหกรรม ซึ่งมีน้ำหนักและพารามิเตอร์ขนาดที่เล็กลงอย่างมากและมีกำลังเท่ากัน ตัวนำยิ่งยวดเป็นที่สนใจจากมุมมองของไมโครอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำถูกใช้ในอุปกรณ์วินิจฉัยทางการแพทย์ (โทโมกราฟ) และแม้แต่ในโครงการ "วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่" ที่แปลกใหม่ เช่น Large Hadron Collider และ International Thermonuclear Reactor

ด้วยตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง มีความหวังที่จะเอาชนะภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกด้านพลังงานทั่วโลกที่เกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในปัจจุบันและอนาคต และในทางกลับกัน ด้วยความต้องการที่จะลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ลงอย่างสิ้นเชิง การปล่อยมลพิษเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ อันที่จริงแล้ว HTSC นำอุปกรณ์ปกติสำหรับผลิตและส่งไฟฟ้าไปสู่ระดับใหม่โดยพื้นฐานในแง่ของประสิทธิภาพ

การประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดที่ชัดเจนที่สุดอย่างหนึ่งคือการส่งกระแสไฟฟ้า สายเคเบิล HTSC สามารถส่งกำลังไฟฟ้าที่มีหน้าตัดขั้นต่ำ นั่นคือ มีแบนด์วิธที่แตกต่างจากสายเคเบิลแบบดั้งเดิม เมื่อกระแสผ่านตัวนำยิ่งยวด จะไม่มีความร้อนเกิดขึ้น และไม่มีการสูญเสียใดๆ ในทางปฏิบัติ นั่นคือปัญหาหลักของเครือข่ายการกระจายจะได้รับการแก้ไข

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าต้องขอบคุณขดลวดของวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่ให้สนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ ทำให้มีพลังมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ข้อกังวลของ Siemens ได้สร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า HTSC สามเครื่องที่มีกำลังการผลิตสูงสุด 4 เมกะวัตต์ เครื่องนี้เบากว่าครึ่งหนึ่งและเล็กกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั่วไปที่มีกำลังเท่ากัน นอกจากนี้ เครื่องกำเนิด HTS ยังแสดงความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าที่มากขึ้นระหว่างการเปลี่ยนแปลงโหลดและคุณลักษณะที่สูงขึ้นในแง่ของการใช้พลังงานรีแอกทีฟ

ปัจจุบัน ทั่วโลกกำลังพัฒนากังหันลมโดยใช้ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง เมื่อใช้ขดลวด HTSC การสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า HTSC ที่มีกำลัง 10 เมกะวัตต์จะเบากว่าเครื่องทั่วไปถึง 2-4 เท่า

พื้นที่ที่มีแนวโน้มสำหรับการใช้ตัวนำยิ่งยวดอย่างแพร่หลายคือการกักเก็บพลังงาน ซึ่งมีบทบาทอย่างมากในแง่ของการพัฒนาระบบพลังงานสมัยใหม่โดยใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน แม้แต่อุปกรณ์ไฟฟ้าที่คุ้นเคย เช่น หม้อแปลง ก็ยังมีคุณสมบัติใหม่เชิงคุณภาพด้วย HTSC

ตัวนำยิ่งยวดช่วยให้คุณสร้างอุปกรณ์ที่ผิดปกติ เช่น ตัวจำกัดกระแสลัดวงจร ซึ่งจะจำกัดกระแสโดยอัตโนมัติอย่างเต็มที่ระหว่างที่ไฟฟ้าลัดวงจร และเปิดโดยอัตโนมัติเมื่อนำไฟฟ้าลัดวงจรออก

เทปรุ่นที่สอง

แนวคิดใดที่มีแนวโน้มเหล่านี้ได้ถูกนำไปปฏิบัติแล้ว และด้วยความพยายามของใคร? ประการแรกควรสังเกตว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงของรุ่นแรกและรุ่นที่สอง (HTSC-1 และ HTSC-2) อยู่ในตลาด ในแง่ของปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจนถึงปัจจุบัน HTSC-1 ชนะ แต่สำหรับผู้เชี่ยวชาญแล้ว เห็นได้ชัดว่าอนาคตเป็นของตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สอง เนื่องจากในการออกแบบตัวนำยิ่งยวด HTSC-2 มากกว่า 70% เป็นเมทริกซ์ที่ทำจากเงิน

หนึ่งในบริษัทสำคัญของรัสเซียที่ทำงานเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สองคือ CJSC SuperOx มันเกิดขึ้นภายในกำแพงของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโกซึ่งตั้งชื่อตาม Lomonosov ซึ่งกลุ่มวิทยาศาสตร์ของคณะเคมีทำงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีการทับถมของฟิล์มบางของตัวนำยิ่งยวด ในปี 2549 จากความรู้ที่สั่งสมมา โครงการเชิงพาณิชย์ได้เปิดตัวเพื่อสร้างการผลิตสายไฟ HTSC รุ่นที่ 2 ภายในประเทศ

ในปี 2554 พื้นที่ที่น่าสนใจของ SuperOx ได้ขยายออกไปโดยความร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับ SuperOx Japan LLC ที่สร้างขึ้นใหม่ มีการตั้งค่าสายการผลิตนำร่องเพื่อผลิตลวด HTSC ที่มีกระแสวิกฤตกว้างถึง 500 A/cm ตั้งแต่ปี 2011 SuperOx-Innovations ยังเป็นผู้อาศัยของ Skolkovo ซึ่งดำเนินการวิจัยประยุกต์โดยมุ่งปรับคุณลักษณะทางเทคนิคของเทป HTSC รุ่นที่สองให้เหมาะสม และพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ สำหรับการผลิตวัสดุเหล่านี้ ในปี 2013 การผลิตเทป HTSP-2 ได้เปิดตัวในสวนอุตสาหกรรมมอสโก Slava

Vadim Amelichev ผู้เชี่ยวชาญชั้นนำของ SuperOx CJSC กล่าวว่า "ผลิตภัณฑ์ของเราซึ่งเป็นเทปตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สอง เป็นสารตั้งต้นที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมพิเศษที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูง ซึ่งต่อมาจะไม่สูญเสียคุณสมบัติเชิงกลเมื่อติดฟิล์มบาง" - ใช้วิธีการพิเศษ ชั้นบัฟเฟอร์ออกไซด์ถูกนำไปใช้กับสารตั้งต้นนี้ และใช้ฟิล์มแกโดลิเนียม-แบเรียมคัพเรตเป็นชั้นการทำงาน จากนั้นโครงสร้างนี้จะถูกเคลือบด้วยเงินหรือทองแดงเป็นชั้นบางๆ และนำไปใช้ในอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวด
ด้วยความหนาของฟิล์มเพียงหนึ่งหรือสองไมครอน วัสดุดังกล่าวมีความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าประมาณ 500 A ต่อ 1 มม.² ของหน้าตัด ซึ่งมากกว่าสายเคเบิลทองแดงทั่วไปหลายร้อยเท่า ด้วยเหตุนี้ เทปนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าสูง สายไฟสำหรับกระแสสูง, แม่เหล็กสำหรับสนามขนาดใหญ่ - การใช้งานหลัก

SuperOx มีวงจรการผลิตเต็มรูปแบบสำหรับเทป HTSP-2 ในปี 2012 การขายผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้เริ่มต้นขึ้น และตอนนี้วัสดุดังกล่าวไม่ได้จัดส่งไปยังรัสเซียเท่านั้น แต่ยังส่งออกไปยัง 9 ประเทศ เช่น สหภาพยุโรป ญี่ปุ่น ไต้หวัน และนิวซีแลนด์

“มีผู้ผลิตเทป HTSC-2 ไม่มากในโลก” Vadim Amelichev อธิบาย - มีบริษัทอเมริกันสองบริษัท บริษัทในเกาหลีใต้และญี่ปุ่น ในยุโรปไม่มีใครผลิตเทปดังกล่าวในระดับอุตสาหกรรมนอกจากเราแล้ว เทปของเราได้รับการทดสอบในศูนย์วิจัยหลายแห่งและยืนยันประสิทธิภาพการแข่งขัน”

พัฒนาอุตสาหกรรมใหม่

Viktor Pantsyrny, Doctor of Technical Sciences, สมาชิกเต็มรูปแบบของ AES ของรัสเซียกล่าวว่า "แม้จะมีความจริงที่ว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงปรากฏขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ แต่ปัญหาของการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้นในประเทศที่พัฒนาทางเทคโนโลยีของโลก สหพันธรัฐผู้อำนวยการฝ่ายพัฒนาของ Russian Superconductor JSC , - ในประเทศของเราภายใต้กรอบของคณะกรรมาธิการภายใต้ประธานาธิบดีแห่งสหพันธรัฐรัสเซียเพื่อความทันสมัยและการพัฒนาเทคโนโลยีของเศรษฐกิจรัสเซีย โครงการ "อุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวด" ได้ริเริ่มขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของ โครงการ "นวัตกรรมพลังงาน" ในพื้นที่สำคัญ "ประสิทธิภาพพลังงาน"

โครงการนี้ในอุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวดได้รับการประสานงานโดย บริษัท ตัวนำยิ่งยวดของรัสเซียซึ่งสร้างขึ้นโดย Rosatom State Corporation ในช่วงระยะเวลาห้าปีตั้งแต่ปี 2554 ถึง 2558 มีการวางแผนที่จะสร้างเทคโนโลยีที่แข่งขันได้สำหรับการผลิตตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นที่สอง การผลิตนำร่องของสายเทป HTSC-2 ที่มีความยาวยาว (สูงถึง 1,000 ม.) และ พัฒนาต้นแบบอุปกรณ์ที่ใช้สายไฟ HTSC-2 สำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า เหล่านี้คือเครื่องกำเนิดพลังงานสูงและเครื่องจำกัดกระแสไฟฟ้า (COT) และอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานจลน์ (KNE) ตลอดจนสายนำกระแสไฟฟ้าที่ทรงพลังสำหรับระบบแม่เหล็ก อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำ (SPIN) หม้อแปลง มอเตอร์ไฟฟ้ากำลังสูง

ตั้งแต่ปี 2559 เป็นต้นมา มีการวางแผนที่จะเปิดตัวการผลิตจำนวนมากของสายไฟ HTSC-2 และอุปกรณ์จำนวนหนึ่งที่อิงตามสายดังกล่าว องค์กรประมาณ 30 แห่งมีส่วนร่วมในโครงการนี้ รวมถึงมหาวิทยาลัย ศูนย์วิชาการและการวิจัยอุตสาหกรรม สำนักออกแบบ และองค์กรอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง VNIINM JSC, NIIEFA JSC, NIITFA JSC, GIREDMET JSC, JSC "NIFHI", JSC TVEL, JSC "Tochmash" และภายนอกที่ศูนย์วิจัยแห่งชาติ "Kurchatov Institute" ENIN ตั้งชื่อตาม Krzhizhanovsky, FGBOU MAI, NRNU MEPhI, GUAP, JSC Rosseti, JSC NTC FGC UES, CJSC SuperOks, JSC VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor เป็นต้น

“ในเชิงโครงสร้าง โปรเจกต์ประกอบด้วยงานเก้าอย่างที่ทำควบคู่กันไป” Viktor Pantsyrny อธิบาย - ตั้งแต่ปี 2554 ถึง 2556 จัดการเพื่อสร้างเครื่องตัวนำยิ่งยวดแบบจำลองการทำงานในประเทศเครื่องแรก - เครื่องยนต์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 50 กิโลวัตต์ อุปกรณ์เก็บพลังงานจลน์ขนาด 0.5 MJ ตัวจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรตัวนำยิ่งยวดขนาด 3.5 เมกะวัตต์สำหรับเครือข่ายไฟฟ้าที่มีแรงดันไฟฟ้า 3.5 kV ตัวนำยิ่งยวดขนาด 10 kVA หม้อแปลง, กระแสสำหรับระบบแม่เหล็ก, กระแสผ่าน 1500A.

นอกจากนี้ รากฐานของเทคโนโลยีสำหรับการผลิตสายริบบิ้น HTSC-2 ภายในประเทศได้ถูกสร้างขึ้นโดยเริ่มจากวัตถุดิบและสิ้นสุดด้วยวิธีการควบคุมผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป พบโซลูชันทางเทคโนโลยีหลักซึ่งทำให้สามารถดำเนินการสร้างต้นแบบอุปกรณ์พลังงานเต็มรูปแบบได้ ดังนั้นงานสร้างเครื่องยนต์ขนาด 200 กิโลวัตต์จึงเสร็จสมบูรณ์

ด้วยการใช้ขดลวด HTSC-2 เครื่องยนต์ดังกล่าวเมื่อติดตั้งบนรถยนต์ไฟฟ้า (รถบัสไฟฟ้า) จะเพิ่มระยะทาง 15–20% ระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ มีการผลิตตัวจำกัดกระแสลัดวงจรตัวนำยิ่งยวดที่มีกำลังมากกว่า 7 MVA และกำลังเตรียมสำหรับการทดสอบในเครือข่ายการขนส่งทางรถไฟ การผลิตเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 1 MVA ซึ่งคาดว่าจะใช้ในโรงไฟฟ้าพลังงานลมใกล้จะเสร็จสมบูรณ์แล้ว

ด้วยเทคโนโลยีเฉพาะของ Rosatom กำลังสร้างอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานจลน์ที่มีตัวนำยิ่งยวดของมู่เล่ซึ่งมีความเข้มของพลังงานมากกว่า 7 MJ ควรสังเกตการพัฒนาอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแบบเหนี่ยวนำที่สามารถส่งพลังงานสะสมได้ถึงหลาย MJ ในเวลาอันสั้น งานเกี่ยวกับการสร้างหม้อแปลงตัวนำยิ่งยวดที่มีความจุ 1,000 kVA ก็อยู่ในขั้นตอนสุดท้ายเช่นกัน

“นอกจากนี้ ผลลัพธ์ที่สำคัญที่สุดของโครงการคือการสร้างฐานการทดลองและเทคโนโลยีที่ทรงพลัง ตลอดจนการจัดตั้งทีมผู้เชี่ยวชาญที่มีคุณสมบัติสูงในสาขาเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด” Viktor Pantsyrny กล่าวสรุป - ในปีนี้ สายการผลิตและการวิจัยที่ซับซ้อนสำหรับการผลิตตัวนำยิ่งยวดแบบริบบิ้น HTSC-2 โดยการระเหยด้วยเลเซอร์จะเริ่มดำเนินการที่สถาบันวิจัยแห่งชาติ Kurchatov บรรทัดนี้จะกลายเป็นเครื่องมือสำหรับการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของวัสดุ HTSC โดยใช้โครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์อันทรงพลังของ Kurchatov NBICS Center ในระดับสูงสุด สิ่งนี้จะช่วยให้การพัฒนาอย่างเข้มข้นในพื้นที่เทคโนโลยีขั้นสูงที่มีแนวโน้มนำไปสู่การใช้เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดในเชิงพาณิชย์”

การนำเสนอกลไกการลอยโดยใช้ลวด HTSC: Andrey Vavilov อธิบายวิธีการทำงานของโมดูลในระหว่างการต้อนรับโดยนายกเทศมนตรีกรุงมอสโก S. Sobyanin ที่ Slava Technopark

สายไฟฟ้ากระแสสลับ

เป็นไปไม่ได้ที่จะไม่พูดถึงโครงการรัสเซียเพื่อสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดยาว 200 ม. จี.เอ็ม. Krzhizhanovsky" (ENIN), JSC "All-Russian Research Institute of Cable Industry" (VNIIKP), Moscow Aviation Institute และ JSC "NTC Electric Power Industry" การพัฒนาเริ่มขึ้นในปี 2548 และในปี 2552 ได้มีการสร้างต้นแบบขึ้น ซึ่งผ่านการทดสอบที่สถานที่ทดสอบเฉพาะที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษ

ข้อได้เปรียบหลักของสายเคเบิล HTSC คือโหลดกระแสไฟฟ้าสูง การสูญเสียต่ำ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และความปลอดภัยจากอัคคีภัย นอกจากนี้ เมื่อส่งพลังงานสูงผ่านสายเคเบิลดังกล่าวที่แรงดันไฟฟ้า 10–20 kV ก็ไม่จำเป็นต้องใช้สถานีย่อยระดับกลาง

สายเคเบิล HTSC เป็นโครงสร้างหลายชั้นที่ซับซ้อน องค์ประกอบตลับลูกปืนกลางทำในรูปแบบของเกลียวสแตนเลสล้อมรอบด้วยมัดทองแดงและลวดสแตนเลสพันด้วยเทปทองแดง เทปตัวนำยิ่งยวดสองชั้นวางอยู่เหนือองค์ประกอบส่วนกลาง และฉนวนไฟฟ้าแรงสูงวางอยู่ด้านบน ตามด้วยการใช้หน้าจอตัวนำยิ่งยวด ชั้นของเทปทองแดงที่มีความยืดหยุ่นห่อหุ้มด้วยเทปสแตนเลส แกนของสายเคเบิลแต่ละเส้นถูกดึงเข้าไปในเครื่องทำความเย็นแบบยืดหยุ่นยาว 200 ม.

การสร้างโครงสร้างหลายองค์ประกอบนี้มีความซับซ้อนเนื่องจากเทป HTSC นั้นไวต่อแรงกดทางกลและการแตกหักอย่างมาก ส่วนหลักของการดำเนินการทางเทคโนโลยีดำเนินการบนพื้นฐานของ OAO VNIIKP อย่างไรก็ตามสำหรับการผลิตฉนวนไฟฟ้าแรงสูง สายเคเบิลถูกนำไปยังเมือง Perm ไปยังโรงงานเคเบิล Kamsky

Alexander Azanov รองหัวหน้าฝ่ายเทคโนโลยีของ Kamsky Cable LLC กล่าวว่า "สำหรับสายเคเบิล HTSC เราได้ดำเนินการโดยใช้ฉนวนกระดาษ" - มีการใช้อุปกรณ์ที่ไม่เหมือนใครซึ่งก่อนหน้านี้ใช้สำหรับการผลิตสายเคเบิลเติมน้ำมันแรงสูง นั่นคือเหตุผลที่พวกเขาไม่มีทรัพยากรสำหรับการจัดส่งผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปจากมอสโกไปยังระดับการใช้งานและกลับ และฉันคิดว่าในขณะนี้สำหรับการผลิตสายเคเบิลพิเศษดังกล่าว ขอแนะนำให้ใช้อุปกรณ์พิเศษที่ติดตั้งในโรงงานต่างๆ แทนที่จะจัดการผลิตในที่เดียว
ในอนาคตอันใกล้นี้ไม่น่าเป็นไปได้ที่องค์กรของการผลิตสายเคเบิลนี้ที่โรงงานของเราหรือที่อื่น ๆ เนื่องจากการติดตั้งสายที่มีตัวนำยิ่งยวดนั้นดำเนินการน้อยมากและมีความยาวสั้นมาก (ไม่เกิน 1 กม.) เหตุผลหลักคือค่าใช้จ่ายของสายเคเบิล HTSC และการบำรุงรักษา (จำเป็นต้องปั๊มไนโตรเจนเหลวผ่านสายเคเบิลอย่างต่อเนื่อง)”

สายไฟฟ้ากระแสตรง

จนถึงปัจจุบัน การพัฒนาในด้านการสร้างสายเคเบิล HTSC ยังคงดำเนินต่อไป JSC FGC UES และ JSC NTC FGC UES กำลังดำเนินการวิจัยและพัฒนาร่วมกัน "การสร้างสายไฟฟ้ากระแสตรงตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสำหรับแรงดันไฟฟ้า 20 kV ที่กระแส 2,500 A ความยาวสูงสุด 2,500 เมตร" ต้นแบบแรกของระบบส่งกำลังนวัตกรรมแห่งอนาคต - สายเคเบิลสองขั้ว HTSC ความยาว 30 ม. สองเส้น พัฒนาขึ้นที่ศูนย์วิจัยและพัฒนาของ FGC UES และผลิตที่โรงงาน Irkutskkabel ผ่านการทดสอบกระแสไฟฟ้าและแรงดันสูงในปี 2556

ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2557 มีการทดสอบชุดอุปกรณ์แปลงสำหรับการส่งกระแสไฟฟ้าขนาด 50 เมกะวัตต์โดยใช้สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดที่ยาวหลายร้อยเมตร การใช้สายเคเบิล HTSC สำหรับแหล่งจ่ายไฟของเมืองใหญ่จะทำให้สามารถลดพื้นที่การจัดสรรที่ดิน ละทิ้งการก่อสร้างสายไฟเหนือศีรษะ และลดการสูญเสียพลังงาน
ศูนย์ R&D ของ FGC UES ตั้งข้อสังเกตว่าสายเคเบิล DC ที่ใช้ HTSC มีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับสายไฟ AC ไม่เพียงช่วยให้คุณส่งพลังงานโดยมีความสูญเสียน้อยที่สุด แต่ยังจำกัดกระแสลัดวงจร ควบคุมพลังงานปฏิกิริยา ควบคุมการไหลของพลังงาน และรับประกันการพลิกกลับ

Vitaly Vysotsky, Doctor of Technical Sciences, Academician of the AES of the Russian Federation, Director of Science - Head กล่าวว่า “เป็นเรื่องดีที่ได้ทราบว่าผู้พัฒนาสายเคเบิล HTSC ของรัสเซียอยู่ในระดับแนวหน้า แผนกสายไฟและสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดของ JSC "VNIIKP" - ตัวอย่างเช่น สายเคเบิลยาว 200 ม. เคยใหญ่ที่สุดในยุโรปในปี 2552-2556 และในปี 2557 เท่านั้นที่มีการติดตั้งสายเคเบิลยาว 1 กม. ในเยอรมนี แต่สถิตินี้จะถูกทำลายด้วยการทดสอบสายเคเบิล 2.5 กม. สำหรับเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก”

จากการสนับสนุนของรัฐสู่การลงทุนของเอกชน

ผู้เชี่ยวชาญทำนายการพัฒนาที่ค่อนข้างแข็งขันของโลกและตลาดตัวนำยิ่งยวดของรัสเซีย ดังนั้น Andrey Vavilov ประธานคณะกรรมการบริหารของ CJSC SuperOx จึงตั้งข้อสังเกตว่าปริมาณตลาด HTSC ทั่วโลกเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกปี และจะสูงถึง 1 พันล้านดอลลาร์ในปี 2560 ในขณะที่ส่วนแบ่งของสหพันธรัฐรัสเซียในตลาดโลกสามารถประมาณได้ อยู่ที่ประมาณ 10%

“ตลาดสำหรับตัวนำยิ่งยวดสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าต้องพัฒนา เนื่องจากความหนาแน่นของการใช้พลังงานมีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง และเป็นไปไม่ได้ที่จะรองรับความต้องการที่เพิ่มขึ้นหากไม่มีตัวนำยิ่งยวด” Vitaly Vysotsky มั่นใจ - อย่างไรก็ตาม วิศวกรไฟฟ้ามีความอนุรักษ์นิยมมากเมื่อเทียบกับทุกสิ่งที่ใหม่และมีราคาแพง ดังนั้นสำหรับตอนนี้ ภารกิจหลักยังคงเป็นการส่งเสริมโครงการใหม่โดยได้รับการสนับสนุนจากองค์กรของรัฐ สิ่งนี้จะพิสูจน์ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวด การเกิดขึ้นของโครงการใหม่จะทำให้เกิดความต้องการในการผลิตเทป HTSC เพิ่มผลผลิตและลดราคา ซึ่งจะช่วยพัฒนาตลาดอีกครั้ง”

“ในขั้นตอนนี้ การแก้ปัญหาอย่างครอบคลุมสำหรับงานทั้งหมดที่กำหนดไว้นั้นเป็นไปไม่ได้หากไม่ได้รับความช่วยเหลืออย่างรอบด้านจากรัฐ แต่ทุกๆ ปี ความน่าดึงดูดใจในการลงทุนของเทคโนโลยี HTSC จะเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้สามารถคาดหวังถึงการไหลเข้าของการลงทุนภาคเอกชนในการพัฒนาเชิงพาณิชย์ต่อไป ด้วยความมั่นใจในระดับสูง”

เห็นด้วยกับ Viktor Pantsyrny เพื่อนร่วมงานของเขา

ผู้เชี่ยวชาญมีความยินดีที่โดยทั่วไปในระดับรัฐมีความเข้าใจถึงความสำคัญของเทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด

“การพัฒนาอุตสาหกรรมตัวนำยิ่งยวดมีความสำคัญระดับชาติและเป็นส่วนสำคัญของการเปลี่ยนผ่านสู่แนวทางใหม่ในการพัฒนาเศรษฐกิจของประเทศ สิ่งนี้ได้รับการระบุไว้เมื่อเร็ว ๆ นี้ในการประชุมที่ขยายตัวของสภาที่ปรึกษาภายใต้ประธานคณะกรรมการพลังงานแห่งรัฐดูมาแห่งสหพันธรัฐรัสเซียโดยเฉพาะอย่างยิ่งมีข้อสังเกตว่าเพื่อให้แน่ใจว่าความเป็นอิสระทางเศรษฐกิจและการเมืองของรัสเซีย มีความจำเป็นเชิงกลยุทธ์ที่จะต้องมีการผลิตภายในประเทศสำหรับวัสดุตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำและสูง อุปกรณ์และผลิตภัณฑ์ตัวนำยิ่งยวดที่อิงจากวัสดุเหล่านี้

รายงานโดย Viktor Pansyrny

แผนการในอนาคต

เราขอให้ผู้เชี่ยวชาญประเมินว่าการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดแบบใดที่พวกเขาเห็นว่ามีแนวโน้มมากที่สุด และจุดที่พวกเขาสามารถคาดหวังการใช้เทคโนโลยีเชิงพาณิชย์ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

“เช่นเดียวกับทั่วโลก ในรัสเซียทุกวันนี้ โครงการสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดมีความก้าวหน้ามากที่สุด พวกเขาต้องและเราหวังว่าจะพัฒนา - Vitaly Vysotsky กล่าว - สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดที่ใช้ HTSC นั้นเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ล้วน ๆ อยู่แล้ว แม้ว่าจะยังมีราคาค่อนข้างแพงก็ตาม มันจะมีราคาถูกลงเมื่อเริ่มเปิดตัวอย่างแพร่หลายและต้องใช้เทป HTSC จำนวนมาก ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการผลิต
อย่างไรก็ตาม ในความคิดของฉัน ตัวจำกัดกระแสลัดวงจรตัวนำยิ่งยวดสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้า 100 kV ขึ้นไปเป็นสิ่งที่จำเป็นและเป็นที่ต้องการมากที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า ไม่มีอุปกรณ์ทั่วไปของระดับแรงดันไฟฟ้านี้และความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ที่นี่ โครงการดังกล่าวกำลังถูกกล่าวถึงในประเทศของเราแล้ว นอกจากนี้ ในความคิดของฉัน เครื่องจักร HTSC สำหรับกังหันลมมีแนวโน้มที่ดี พวกเขาสัญญาว่าจะลดน้ำหนักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องเดียวอย่างมีนัยสำคัญ (หลายเท่า) และเพิ่มกำลังเครื่องเดียว

“ทุกวันนี้ ตัวขับเคลื่อนการพัฒนาตลาดสำหรับผลิตภัณฑ์ตัวนำยิ่งยวดคืออุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า (สายไฟและตัวจำกัดกระแสไฟ)” อันเดรย์ วาวิลอฟเชื่อ - แต่ในอุตสาหกรรมอื่น ๆ จำนวนมากมีศักยภาพที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น ปัจจุบันมีการพัฒนาตัวเลือกสำหรับการใช้ลวด HTSC เพื่อทดแทนตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำอย่างมีประสิทธิภาพในเทคโนโลยีตัวเร่งความเร็วที่ใช้ในงานวิทยาศาสตร์ การผลิตไอโซโทป และการแพทย์ รัสเซียมีแผนใหญ่ในด้านนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การก่อสร้าง NICA Collider ที่ทันสมัยใน Dubna
การสร้างเครื่องจักรหมุนที่มีประสิทธิภาพพร้อมคุณลักษณะการยึดเกาะที่เป็นเอกลักษณ์ มวลและน้ำหนักที่ต่ำนั้นมีศักยภาพที่ดี เครื่องยนต์ดังกล่าวเป็นที่ต้องการเป็นหลักเพื่อให้แน่ใจในการเคลื่อนที่ของเรือขนาดใหญ่ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถใช้เป็นพลังงานหมุนเวียนได้
ปรากฏการณ์การลอยตัวของแม่เหล็กได้เปิดมุมมองใหม่อย่างสมบูรณ์ในวันนี้ สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงระบบขนส่งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเครื่องมือควบคุมแบบไม่สัมผัส ตลอดจนตลับลูกปืนที่ทนทานพร้อมการใช้งานที่หลากหลาย”

“การพัฒนาเพิ่มเติมของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงจะส่งผลทวีคูณที่เด่นชัด ไม่เพียงแต่ในอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อวกาศ การบิน ทะเล การขนส่งทางถนนและทางรถไฟ วิศวกรรมเครื่องกล โลหะวิทยา อิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์ และเทคโนโลยีคันเร่ง เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดยังมีความสำคัญต่อการเสริมสร้างศักยภาพการป้องกันของประเทศ"

วิคเตอร์ แพนซีร์นี่ มั่นใจ

กล่าวอีกนัยหนึ่ง การพัฒนาต่อไปของเทคโนโลยีที่อาศัยตัวนำยิ่งยวดเป็นการเปิดโอกาสที่ยิ่งใหญ่สำหรับมนุษยชาติ และในอนาคตอันใกล้นี้

สร้างขึ้นจากตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงออกไซด์ เป็นครั้งแรกที่เซรามิกตัวนำยิ่งยวดได้รับในปี 1986 โดย J. Bednorz และ K. Müller ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบนี้ เซรามิกนี้มีพื้นฐานมาจากแลนทานัม แบเรียม และคอปเปอร์ออกไซด์ (La 2-x Ba x CuO 4) และมีค่าสูงผิดปกติ วัสดุตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวด Tc = 35 K หนึ่งปีต่อมาภายใต้การแนะนำของ P. Chu เซรามิกที่ขึ้นอยู่กับอิตเทรียมแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ YBa 2 Cu 3 O 7-x ที่มี Tc = 93 K . การค้นพบเหล่านี้ทำให้ตัวนำยิ่งยวดมีแนวโน้มในการใช้งานจริง

เซรามิกตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง เช่น วัสดุเซรามิกทั่วไป ทำจากผงออกไซด์ การได้รับตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงออกไซด์เซรามิกประกอบด้วยขั้นตอนหลักดังต่อไปนี้: การเติมส่วนประกอบเริ่มต้นของประจุ, การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันของประจุ, การสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูง (ที่อุณหภูมิ 800-1100 ° C), รวมถึงการบดประจุระดับกลาง เช่น เช่นเดียวกับการขึ้นรูป (การกด) และการเผาผลิตภัณฑ์เซรามิก

ความหนาแน่นและโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากสถานะของผงเริ่มต้นและสภาวะการสังเคราะห์ วัสดุเซรามิกประกอบด้วยเกรนที่ไม่เรียงตัว รูพรุน และส่วนผสมของเฟสแปลกปลอมเกือบตลอดเวลา ในการสังเคราะห์เซรามิกตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ผงที่กระจายตัวแบบละเอียดจะเริ่มเผาที่อุณหภูมิต่ำกว่าแบบหยาบ สิ่งนี้จะช่วยหลีกเลี่ยงการก่อตัวของเฟสของเหลวจำนวนมากและการเสียรูปของตัวอย่าง การแนะนำออกไซด์ของสิ่งเจือปนจำนวนเล็กน้อยในองค์ประกอบหลักมีผลในเชิงบวกต่อคุณสมบัติของเซรามิกส์ ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดพื้นผิวที่ต้องการ

คุณสมบัติทางกลและทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเซรามิก HTSC นั้นเกิดขึ้นโดยตรงจากโครงสร้างที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างมาก ซึ่งประกอบด้วยเกรน รูพรุน และจุดบกพร่องขนาดเล็ก ซึ่งตามกฎแล้วจะมีการแปลเฉพาะที่ขอบเขตของเกรน การก่อตัวและการทำลายโครงสร้างจุลภาคของเซรามิกตัวนำยิ่งยวดเกิดขึ้นในกระบวนการเผาผนึก ซึ่งก่อให้เกิดความเค้นภายใน และการทำงานของวัสดุในโหมดทางกลและทางความร้อนต่างๆ เซรามิกตัวนำยิ่งยวดประกอบด้วยแกรนูลตัวนำยิ่งยวด ซึ่งแสดงลักษณะเฉพาะด้วย jcr ความหนาแน่นกระแสวิกฤตสูงเพียงพอ แต่เนื่องจากช่องว่างระหว่างขอบเกรนมีค่า jcr ต่ำ ความหนาแน่นกระแสขนส่งวิกฤตที่สำคัญของเซรามิกอุณหภูมิสูงจึงลดลง ซึ่งทำให้ยากต่อการใช้เทคโนโลยี

จนถึงปัจจุบัน มีการสร้างเซรามิกตัวนำยิ่งยวดจำนวนมากขึ้น ซึ่งมีธาตุหายาก Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu สำหรับเซรามิกเหล่านี้ การศึกษาเชิงทดลองให้อุณหภูมิของการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 86 K ถึง 135 K

ที่พบมากที่สุดคือเซรามิกแลนทานัม (La1-xBa)2CuO1-y ที่มี Tc = 56 K, เซรามิกส์อิตเทรียมที่มี Y-Ba-Cu-O ที่มี Tc = 91 K, เซรามิกบิสมัทที่มี Bi-Sr-Ca-O ที่มี Tc = 115 K, เซรามิกแทลเลียมที่มี Tl-Ba-Ca-Cu-O ที่มี Tc = 119 K, เซรามิกที่มีปรอท HgBa2Ca2Cu3O8+x ที่มี Tc = 135 K

เทคโนโลยีสำหรับการรับเซรามิกที่มีพื้นผิวได้รับการพัฒนาซึ่งทำให้สามารถเพิ่มความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าตามลำดับความสำคัญ อย่างไรก็ตาม การได้รับผลิตภัณฑ์ ลวด หรือเทปขนาดใหญ่เพียงพอจากตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงแบบเซรามิกยังคงเป็นปัญหาทางเทคโนโลยีที่ค่อนข้างซับซ้อน ตามกฎแล้วองค์ประกอบขนาดใหญ่ขนาดกะทัดรัดที่มีรูปร่างและขนาดต่าง ๆ นั้นทำจากเซรามิกตัวนำยิ่งยวด Y-Ba-Cu-O ออกไซด์และตัวนำยิ่งยวดคอมโพสิตที่มีความยาวยาว - ขึ้นอยู่กับสารประกอบ Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O ในเปลือก ของโลหะและโลหะผสมต่างๆ ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวมีผลของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลวและต่ำกว่า มีลักษณะการนำกระแสไฟฟ้าสูง และเมื่อใช้งาน ผลิตภัณฑ์เหล่านี้สามารถลดน้ำหนักและขนาดของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างมาก ลดต้นทุนการดำเนินงาน และสร้างระบบไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม .

ในส่วนประกอบของไมโครเวฟ จะใช้ฟิล์มบางของเซรามิก HTSC บนพื้นผิวผลึกเดี่ยว ตามกฎแล้ว พารามิเตอร์หลักของฟิล์ม HTSC ได้แก่ ความต้านทานและความไวต่อแม่เหล็ก สิ่งเหล่านี้ได้มาจากการสะสมลงบนพื้นผิวโดยการระเหยด้วยเลเซอร์และลำแสงอิเล็กตรอน การสะสมไอเคมี การสปัตเตอร์แคโทดโดยตรงและปฏิกิริยา และ epitaxy ของลำแสงโมเลกุล

นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวัสดุที่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิที่เย็นที่สุดในโลกเล็กน้อย การค้นพบนี้อาจเป็นการประกาศศักราชใหม่ในการศึกษาตัวนำยิ่งยวด โลกของตัวนำยิ่งยวดกำลังฮือฮา ปีที่แล้ว มิคาอิล เยเรเมตส์และเพื่อนร่วมงานสองคนที่สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อเคมีในเมืองไมนซ์ ประเทศเยอรมนี ได้ทำการสังเกตที่ผิดปกติของไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่มีตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ -70 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าวัสดุอื่นใดที่มีสถิติปัจจุบันถึง 20 องศา

ผลงานของนักวิทยาศาสตร์เริ่มถูกพูดถึงเมื่อมีการโพสต์ครั้งแรกบน arXiv ในเวลานั้นนักฟิสิกส์มีความระมัดระวังในการทำงาน ประวัติความเป็นมาเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดถูกทิ้งเกลื่อนไปด้วยซากศพของการกล่าวอ้างที่น่าสงสัยเกี่ยวกับกิจกรรมที่อุณหภูมิสูง ซึ่งต่อมาได้รับการพิสูจน์ว่าไม่สามารถทำซ้ำได้

เวลาผ่านไปนานมากแล้ว Yeremets และเพื่อนร่วมงานทำงานอย่างหนักเพื่อสร้างหลักฐานที่ชัดเจนและน่าเชื่อถือ เมื่อไม่กี่สัปดาห์ก่อน งานของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature ทำให้มันเป็นตราประทับแห่งความเคารพที่จำเป็นในฟิสิกส์ยุคใหม่ โดนพาดหัวข่าวอีกแล้ว

Antinio Bianzoni และ Thomas Jarlborg จาก Rome International Center for Materials Science ในอิตาลี ได้ให้ภาพรวมของสายงานที่น่าตื่นเต้นของพวกเขา และพวกเขาทำงานเชิงทฤษฎีเพื่ออธิบายผลงานของ Yeremets และเพื่อนร่วมงานของเขา

ในการเริ่มต้น พื้นหลังเล็กน้อย สภาพตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ของความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ซึ่งเกิดขึ้นในวัสดุบางชนิดเมื่อถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต

ปรากฏการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันดีในตัวนำยิ่งยวดทั่วไปซึ่งเป็นโครงตาข่ายแข็งของไอออนบวกที่อาบอยู่ในทะเลอิเล็กตรอน ความต้านทานไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนชนเข้ากับกริดเหล่านี้และสูญเสียพลังงานเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ผ่านพวกมัน

อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิต่ำ อิเล็กตรอนสามารถรวมตัวกันเพื่อสร้างคู่คูเปอร์ ในเวลาเดียวกัน โครงตาข่ายจะแข็งพอที่จะให้คลื่นที่เรียกว่า โฟนัน เคลื่อนที่สอดคล้องกัน

ตัวนำยิ่งยวดถูกสร้างขึ้นเมื่อคู่คูเปอร์และโฟนอนเดินทางด้วยกันผ่านวัสดุ และโดยหลักแล้วคลื่นจะเปิดทางให้คู่อิเล็กตรอนชัดเจน สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อการสั่นสะเทือนของตะแกรง - อุณหภูมิของมัน - รุนแรงพอที่จะทำให้ไอระเหยของคูเปอร์แตกได้ นี่คืออุณหภูมิวิกฤต

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ อุณหภูมิวิกฤตสูงสุดของประเภทนี้คือ -230 องศาเซลเซียส (40 เคลวิน)

มีคุณสมบัติหลักสามประการที่นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาเพื่อยืนยันความเป็นตัวนำยิ่งยวดของวัสดุ ประการแรกคือความต้านทานไฟฟ้าลดลงอย่างกะทันหันเมื่อวัสดุเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ ประการที่สองคือการกระจัดของสนามแม่เหล็กจากวัสดุ ผลกระทบที่เรียกว่า Meissner effect

ประการที่สามคือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิวิกฤตเมื่ออะตอมในวัสดุถูกแทนที่ด้วยไอโซโทป สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของมวลของไอโซโทปทำให้แลตทิซสั่นต่างกัน ซึ่งทำให้อุณหภูมิวิกฤตเปลี่ยนไป

แต่ยังมีตัวนำยิ่งยวดอีกประเภทหนึ่งที่เข้าใจกันน้อยมาก ซึ่งรวมถึงสารเซรามิกบางชนิดที่ค้นพบในทศวรรษที่ 1980 ซึ่งกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำถึง -110 องศาเซลเซียส ไม่มีใครเข้าใจวิธีการทำงานของมันจริงๆ แต่งานวิจัยส่วนใหญ่ในชุมชนตัวนำยิ่งยวดมุ่งเน้นไปที่วัสดุที่แปลกใหม่เหล่านี้

Yeremets และเพื่อนร่วมงานของเขามักจะเปลี่ยนตำแหน่ง บางทีสิ่งที่น่าประหลาดใจที่สุดในความก้าวหน้าของพวกเขาก็คือการที่ไม่มีตัวนำยิ่งยวด "อุณหภูมิสูง" ซึ่งรวมถึงไฮโดรเจนซัลไฟด์ธรรมดา ซึ่งไม่เคยมีการสังเกตว่าเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่า 40 องศาเคลวิน

Yeremets และเพื่อนร่วมงานของเขาบรรลุเป้าหมายด้วยการบีบอัดวัสดุนี้ภายใต้แรงกดดันที่มีอยู่เฉพาะที่ใจกลางโลก ในเวลาเดียวกัน พวกเขาก็สามารถหาหลักฐานของคุณลักษณะที่สำคัญทั้งหมดของความเป็นตัวนำยิ่งยวดได้

และในขณะที่การทดลองยังคงดำเนินต่อไป นักทฤษฎีก็ต้องใช้สมองในการพยายามอธิบาย นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่ามีเหตุผลทางทฤษฎีบางประการที่ว่าทำไมตัวนำยิ่งยวดแบบเดิมไม่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 40 องศาเคลวิน แต่กลับกลายเป็นว่าไม่มีสิ่งใดในทฤษฎีที่ป้องกันไม่ให้ตัวนำยิ่งยวดทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น

ในปี 1960 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ นีล แอชครอฟต์ ทำนายว่าไฮโดรเจนควรจะเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ที่อุณหภูมิและความดันสูง บางทีอาจจะเป็นที่อุณหภูมิห้องด้วยซ้ำ แนวคิดของเขาคือไฮโดรเจนนั้นเบามากจนควรก่อตัวเป็นตาข่ายที่สามารถสั่นสะเทือนด้วยความถี่ที่สูงมาก และด้วยเหตุนี้จึงกลายเป็นตัวนำทางเซรุ่มวิทยาที่อุณหภูมิและความดันสูง

Yeremets และเพื่อนร่วมงานของเขาดูเหมือนจะยืนยันความคิดนี้ หรืออย่างน้อยอะไรแบบนี้ มีริ้วรอยทางทฤษฎีจำนวนมากที่ต้องกำจัดออกก่อนที่นักฟิสิกส์จะสามารถพูดได้ว่าพวกเขามีความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้น งานทางทฤษฎียังคงดำเนินต่อไป

ตอนนี้การแข่งขันคือการหาตัวนำยิ่งยวดอื่น ๆ ที่จะทำงานในอุณหภูมิที่สูงขึ้น ผู้สมัครที่มีแนวโน้มหนึ่งคนคือ H3S (ไม่ใช่ H2S ซึ่ง Yeremets ทำงานเดิม)

และแน่นอน นักฟิสิกส์กำลังเริ่มคิดถึงการประยุกต์ใช้ การใช้วัสดุดังกล่าวเป็นเรื่องยากมาก และไม่ใช่เพียงเพราะมันเป็นตัวนำยิ่งยวดที่แรงดันสูงเท่านั้น

แต่ไม่มีอะไรหยุดคุณจากความฝัน Bianzoni และ Jarlborg กล่าวว่า "การค้นพบนี้มีความหมายไม่เพียงเฉพาะกับวัสดุศาสตร์และสสารควบแน่นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงด้านอื่นๆ ตั้งแต่ควอนตัมคอมพิวเตอร์ไปจนถึงฟิสิกส์ควอนตัมของสิ่งมีชีวิต" Bianzoni และ Jarlborg กล่าว พวกเขายังเสนอแนวคิดที่น่าสนใจว่าตัวนำยิ่งยวดนั้นทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิที่เย็นที่สุดในโลกถึง 19 องศา

บางทีในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้าเราจะได้ยินสิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดมากขึ้น