适合未来能量输送的超导体 - 高科技电缆通过真空保持在低温状态

适合未来能量输送的超导体 - 高科技电缆通过真空保持在低温状态

超低温超导体能够使电流无阻碍流动,从而大大降低输送中的能量损失。真空帮助产生并维持所需低温。
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低温消除电阻

"哪里有电流,哪里就有电阻":1911年,荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)发现超导现象,从此改变电子科学的这一假设。因为根据量子物理学原理,一些材料如果冷却到极低温度,其电阻就会消失。因此,电流可在无能量损失的情况下流动。目前,欧洲电网的输送能量损失约为 6%。所以,无电阻的电力输送可减少所需电厂的数量。不过,真实的超导电缆是一个非常复杂的高科技结构。

真空隔离热量

超导电缆与传统电缆截然不同:由若干层组成,就像彼此套在一起的直径不一的园林软管。带电层包含由陶瓷材料制成的超导条带。这些材料的超导转变温度(或材料呈现超导特性的临界点)介于 -130℃ 至 -180℃ 之间。在超导体物理学中,这些温度属于高温;陶瓷被指定用作高温超导体。

但与环境温度相比,仍需要极低温度。因此,电缆束需要用低温冷却液氮冷却。电流将稳定流过周围环绕超导层的中空空间。电缆还有一层涂层,双壁之间使用真空隔离外部温度的影响,其绝缘工作原理与热水瓶相同。

在 AmpaCity 试点项目中,一条这样的电缆运行在埃森市中心两个变电站之间的一公里线路上。在两年的试验阶段,这条电缆通过了实际测试。除了抽成真空的绝缘护套之外,该项目还使用真空技术来冷却氮气。在冷却装置中,使用真空泵将气体保持在明显低于 -196℃ 的沸点下。

经济效益与医疗技术

尽管有着复杂的分层结构,但超导体与同等铜线相比明显薄得多:虽然直径相同,但输电能力是其五倍以上。超导电缆还能承载比传统电缆更强的电流。因此,专家们相信,全新电缆技术不仅是解决电力供应的更节能解决方案,还能节省更多空间——这是埃森城市项目的一个基本要求。超导电缆可从城市边界外的电线上接过电力传输,使用一些变电站配电。

超导体还可使变压器、发电机和电动机更高效。如果超导电缆替代铜缆,则更小、更轻型号的产品将成为可能。轻质、强劲的电动马达甚至对飞机引擎都极具吸引力。一些飞机制造商已经在考虑使用这一设计。

顺便说一下,超导体在研究机构和医疗技术方面早已得到实践证明。例如,粒子加速器就配备有超导磁线圈。这类磁铁还被用在医学诊断中。由于超导性,磁共振成像(MRI)可以产生"照亮"身体但无辐射暴露的强大磁场。在此类应用中,真空技术也有助于冷却和绝缘。

普旭(Busch)为全球的冷却和绝缘超导电缆和磁线圈提供真空系统。

通过 MRI 实现高精准诊断

磁共振成像(MRI,有时又称为核磁共振成像)已经成为医学诊断中不可或缺的一部分。它提供身体的图像,其中许多细节在 x 射线图像上是看不到的。经验丰富的医生能通过 MRI 识别肌肉、韧带、肌腱、血管甚至神经的损伤。这能为医生的外科手术或肿瘤治疗提供重要的信息。

这些图像是利用超强磁场和无线电波使人体组织中的氢核舞动起来所产生的。核自旋的这种运动会产生电磁波。这些运动被 MRI 机器记录下来,通过数据分析转换成高对比度的身体结构图像。与之前主要显示骨骼的 X 射线相比,MRI 机器拍摄的图像还能以高分辨率的细节显示身体的软组织。由于机器在毫米薄层中执行测量,这些图像还可进行编译来创建 3D 图像。根据应用的不同,成像过程所需的磁场强度是地球磁场的 20,000 至 100,000 倍。此类磁场强度只能用超导磁线圈来产生和维持。


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