Le segment de fil supraconducteur le plus performant au monde fabriqué à l'UB
Une nouvelle étude montre comment l'utilisation à grande échelle et rentable de fils supraconducteurs à haute température se rapproche de la réalité
Notre avenir énergétique pourrait dépendre des fils supraconducteurs à haute température (HTS). La capacité de cette technologie à transporter l'électricité sans résistance à des températures plus élevées que celles requises par les supraconducteurs traditionnels pourrait révolutionner le réseau électrique et même permettre la fusion nucléaire commerciale.
Le dépôt par laser pulsé, dans lequel un faisceau laser abrase un matériau qui est déposé sous forme de film sur un substrat, a été utilisé pour fabriquer les fils HTS.
University at Buffalo
Toutefois, ces applications à grande échelle ne verront pas le jour tant que les fils HTS ne pourront pas être fabriqués à un prix équivalent à celui des fils de cuivre ordinaires vendus dans les magasins de bricolage.
De nouvelles recherches menées par l'université de Buffalo nous rapprochent de cet objectif. Dans une étude, les chercheurs indiquent qu'ils ont fabriqué le segment de fil HTS le plus performant au monde, tout en rendant le rapport prix-performance nettement plus favorable.
Basés sur l'oxyde de cuivre et de baryum des terres rares (REBCO), leurs fils ont atteint la densité de courant critique et la force de pincement les plus élevées - la quantité de courant électrique transportée et la capacité à pincer les tourbillons magnétiques, respectivement - rapportées à ce jour pour tous les champs magnétiques et toutes les températures de 5 kelvins à 77 kelvins.
Cette plage de températures reste extrêmement froide - de moins 451 degrés à moins 321 degrés Fahrenheit - mais elle est plus élevée que le zéro absolu auquel fonctionnent les supraconducteurs traditionnels.
"Ces résultats aideront l'industrie à optimiser davantage ses conditions de dépôt et de fabrication afin d'améliorer de manière significative le rapport qualité-prix des conducteurs revêtus commerciaux", déclare l'auteur correspondant de l'étude, Amit Goyal, PhD, professeur émérite et professeur d'innovation SUNY Empire au département de génie chimique et biologique, au sein de l'école d'ingénierie et de sciences appliquées de l'UB. "Il est nécessaire de rendre la métrique prix-performance plus favorable pour réaliser pleinement les nombreuses applications à grande échelle envisagées pour les supraconducteurs".
Les fils supraconducteurs ont de nombreuses applications
Les applications des fils supraconducteurs comprennent la production d'énergie, comme le doublement de la puissance générée par les éoliennes offshore ; les systèmes de stockage d'énergie magnétique supraconducteurs à l'échelle du réseau ; la transmission d'énergie, comme la transmission sans perte d'énergie dans les lignes de transmission à courant continu et alternatif à haute intensité ; et l'efficacité énergétique sous la forme de transformateurs, de moteurs et de limiteurs de courant de défaut supraconducteurs à haute efficacité pour le réseau.
Une seule application de niche des fils supraconducteurs, la fusion nucléaire commerciale, offre la possibilité de produire une énergie propre illimitée. Au cours des dernières années, une vingtaine d'entreprises privées ont été créées dans le monde pour développer la fusion nucléaire commerciale, et des milliards de dollars ont été investis dans le développement de fils supraconducteurs pour cette seule application.
Parmi les autres applications des fils HTS figurent l'IRM de nouvelle génération pour la médecine, la résonance magnétique nucléaire (RMN) de nouvelle génération pour la découverte de médicaments et les aimants à haut champ pour de nombreuses applications en physique. Il existe également de nombreuses applications dans le domaine de la défense, telles que le développement de navires et d'avions entièrement électriques.
À l'heure actuelle, la plupart des entreprises du monde entier qui fabriquent des fils HTS haute performance d'un kilomètre de long utilisent une ou plusieurs des plates-formes technologiques mises au point précédemment par M. Goyal et son équipe.
Il s'agit notamment de la technologie des substrats à texture biaxiale assistée par roulement (RABiTS), de la technologie de dépôt de MgO assisté par faisceau d'ions (IBAD) basée sur l'OMT et des défauts de nanocolonnes à des distances nanométriques grâce à la séparation de phase simultanée et à la technologie d'auto-assemblage pilotée par la déformation. Une interview récente de M. Goyal, publiée dans le numéro de la Semaine des supraconducteurs, met en lumière ces technologies et en explique les détails.
Record mondial de densité de courant critique et de force d'épinglage
Dans le présent travail publié dans Nature Communications, le groupe de M. Goyal présente des fils supraconducteurs à base de REBCO à très hautes performances.
À 4,2 kelvins, les fils supraconducteurs ont transporté 190 millions d'ampères par centimètre carré sans aucun champ magnétique externe, également appelé champ propre, et 90 millions d'ampères par centimètre carré avec un champ magnétique de 7 teslas.
À une température plus chaude de 20 kelvins - la température d'application envisagée pour la fusion nucléaire commerciale - les fils pouvaient encore supporter plus de 150 millions d'ampères par centimètre carré de champ propre et plus de 60 millions d'ampères par centimètre carré à 7 teslas.
En termes de courant critique, cela correspond à un segment de fil de 4 millimètres de large à 4,2 kelvins ayant un supercourant de 1 500 ampères en champ propre et de 700 ampères à 7 teslas. À 20 kelvins, ce courant est de 1 200 ampères en champ propre et de 500 ampères à 7 teslas.
Il convient de noter que le film HTS de l'équipe, bien qu'il n'ait que 0,2 micron d'épaisseur, peut transporter un courant comparable à celui des fils supraconducteurs commerciaux dont le film HTS est presque 10 fois plus épais.
En ce qui concerne la force de maintien, les fils ont montré une forte capacité à maintenir les tourbillons magnétiques en place, avec des forces d'environ 6,4 teranewtons par mètre cube à 4,2 kelvins et d'environ 4,2 teranewtons par mètre cube à 20 kelvins, tous deux sous un champ magnétique de 7 teslas.
Il s'agit des valeurs les plus élevées de densité de courant critique et de force de pincement rapportées à ce jour pour tous les champs magnétiques et toutes les températures de fonctionnement, de 5 kelvins à 77 kelvins.
"Ces résultats démontrent qu'il est encore possible d'améliorer considérablement les performances et, par conséquent, de réduire les coûts qui pourraient être obtenus avec des fils HTS commerciaux optimisés", explique M. Goyal.
Comment le fil à haute performance a-t-il été fabriqué ?
Le segment de fil HTS a été fabriqué sur des substrats à l'aide de la technologie (IBAD) MgO et en utilisant les défauts des nanocolonnes par le biais de la séparation de phase simultanée et de la technologie d'auto-assemblage induite par la déformation. La technologie d'auto-assemblage permet d'incorporer des nanocolonnes isolantes ou non supraconductrices à des distances de l'ordre du nanomètre à l'intérieur du supraconducteur. Ces nanodéfauts peuvent bloquer les tourbillons supraconducteurs, ce qui permet d'obtenir des courants supérieurs.
"La densité de courant critique élevée a été rendue possible par une combinaison d'effets de pincement dus au dopage aux terres rares, aux défauts du point d'oxygène et aux nanocolonnes isolantes de zirconate de baryum, ainsi qu'à leurs morphologies", explique M. Goyal.
"Le film HTS a été fabriqué à l'aide d'un système avancé de dépôt par laser pulsé, grâce à un contrôle minutieux des paramètres de dépôt", ajoute Rohit Kumar, postdoctorant au sein du laboratoire de l'UB pour la croissance hétéroépitaxiale des matériaux et dispositifs fonctionnels, que dirige M. Goyal.
Dans le dépôt par laser pulsé, un faisceau laser frappe un matériau cible et abrase le matériau qui est déposé sous forme de film sur un substrat placé de manière appropriée.
"Nous avons également effectué une microscopie à résolution atomique à l'aide des microscopes les plus avancés du Centre canadien de microscopie électronique de l'université McMaster pour caractériser les défauts à l'échelle nanocolonnaire et atomique, et nous avons également effectué des mesures des propriétés supraconductrices à l'université de Salerne, en Italie", explique M. Goyal.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
"Ultra-high Critical Current Density and Pinning Force in Nanostructured, Superconducting REBCO-based, Coated Conductor"; Nature Communications 2024.
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