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高温超导体的 5 大创意 高温超导材料和配置的新用途利用了它们的高磁场
高温超导带在许多应用中显示出前景
1911 年,荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes将一根水银线放入液氦中,发现水银线的电阻消失了。电线变成了“超导体”。

引发超导所需的极低温度和高压限制了其实用价值数十年。但 1986 年高温超导性的发现为更广泛的应用铺平了道路。

“高温”不是室温。它是指在液氮沸点-195.79℃以上超导的材料。最近,新材料和配置正在提高这些超导体的工作温度,使它们更容易使用。最新一代产品因其材料可产生的高磁场而特别受到重视。

“在过去 15 年里,重点已经转向使用[这些材料],不再用作高温超导体,而更多地用作高场超导体,”德克萨斯大学超导中心应用研究中心主任Venkat Selvamanickam说道。休斯敦大学。

这些高磁场有一天可能会产生核聚变能,这是我最近写的[请参阅“这个聚变反应堆与胶带固定在一起”]。但这些材料可能会更快地出现在广泛的实际应用中,包括风力发电、储能和核磁共振机。如果工程师能够解决这些问题,那么高温超导的五种新兴用途可能会改变日常生活。

储能
与使用化学物质存储能量的传统电池不同,超导磁能存储(SMES)使用超导材料线圈中直流电流流动产生的磁场。一旦线圈充电,只要保持冷却,能量就可以几乎无限期地存储,几乎没有衰减。存储的能量随着磁场的平方而增加,也就是说,磁场强度每增加一倍,系统就可以存储四倍的能量。这些系统几乎可以瞬间释放能量,因此它们可以在公用电网、粒子加速器和支持敏感、高速过程的工业系统中发挥至关重要的作用。

将 SMES 的超快放电与电池的更高能量密度相结合的混合存储系统是一个有前途的研究领域。与其他高温超导应用一样,低温冷却会增加成本,因为需要坚固的机械结构来承受电磁线圈产生的洛伦兹力。
这种能量存储设备使用超导材料线圈中直流电流流动产生的磁场

概念验证:由布鲁克海文国家实验室和 ABB领导的研究团队使用高温超导技术构建了磁能存储系统,该系统于 2014 年实现了 12.5 特斯拉的磁场。此后,由于材料成本高昂,研究一直滞后。

感应加热器
加热铝锭、锻造有色金属和熔炼高端合金的工业过程是能源密集型的。高温超导感应加热器有望将能源消耗和温室气体排放量减少一半。

现在正在走向商业化的一种高温超导感应加热器可在磁场内旋转金属锭,以在金属内产生涡流。对于传统的感应加热,这些电流穿透铸锭的速度很慢。HTS 系统的强磁场可增强穿透力,实现更快、更均匀的加热。

值得关注的项目:今年早些时候,中国联创公司在中国东北部的一个工业设施安装了世界上第一台兆瓦级高温超导感应加热器。传统方法需要至少九个小时才能将 500 公斤的铝锭从 20 °C 加热到 403 °C。使用新型 HTS 加热器,该过程大约需要10 分钟。

航空
在航空领域使用电力推进的最大挑战是功率重量比:传统电力系统无法在不增加飞机重量的情况下产生足够的推力。HTS 材料在紧凑、轻量的封装中提供高功率密度和高效率。它们还可以减轻其他电气系统的重量,例如飞行控制、通信和电力电子系统。为了安全飞行,未来的高温超导飞机将需要内置冗余系统,以应对淬火的可能性,即高温超导材料温度升高时失去磁性。
空中客车公司正在研发一种超导电动机,该电动机使用液氢进行冷却和燃料
值得关注的项目:空中客车公司的ASCEND项目旨在展示包含超导电机和低温冷却系统的动力传动系。计算表明,该系统的重量可以是传统电动飞机推进系统的三分之一到二分之一,同时实现 97% 的动力传动系统效率。该概念基于使用液态氢作为制冷剂和燃料。空中客车公司尚未透露如何生产氢气,但该公司确实参与了氢气可再生来源的行业研究。

超导风力发电机
在过去的几十年里,风力涡轮机的容量猛增,从 1985 年的仅 50 千瓦增加到今天的 15 兆瓦,这要归功于更大的涡轮机和更大的磁铁,可以产生更强的电磁场。但对效率的追求遇到了阻力,因为更多的功率通常意味着更多的重量。此外,永磁发电机中使用的稀土元素,例如钕和镝,也供应短缺。

高温超导技术为新一代高效、低成本涡轮机提供了一条有前途的途径。用超导绕组代替永磁体可以产生更强的磁场,将发电机的重量减半,并最大限度地减少对稀土的需求。
EcoSwing 用于风力涡轮机的紧凑型发电机(蓝色)使用长达数公里的带状高温超导材料,其功率密度是铜的 100 倍

概念验证:欧盟资助的EcoSwing项目于 2019 年完成,在丹麦北海沿岸安装了一台 3.6 兆瓦风力涡轮机,其中包含由钆、钡和氧化铜制成的 20 公里高温超导线。发电机的重量比传统装置轻 40%,机舱(发电机和其他机械的外壳)小 25%。高温超导绕组材料仍然昂贵,但随着技术的成熟,成本应该会下降。

医学诊断与研究
磁共振成像是一种流行的诊断工具,因为它具有卓越的软组织成像效果并且没有电离辐射。任何收到过 MRI 账单的人都知道,MRI 的费用也非常昂贵。为了将超导磁体冷却至 -269 °C,当今的机器通常使用液氦,这是一种日益稀缺的商品。

一旦成本下降,高温超导线圈可以成为氦冷却 MRI 磁体的可持续替代品,从而减少机器的尺寸、重量和能耗。高温超导技术已经被纳入核磁共振机中,用于在分子水平上研究材料。由于磁场较高,高温超导技术可以显着提高信噪比,从而获得更详细、更准确的成像。

值得关注的项目:科学仪器制造商布鲁克最新的光谱仪将高温超导内部线圈夹在低温超导体外部线圈之间,实现了 28.2 T 的磁通量密度,几乎是地球磁场强度的 600,000 倍。
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