Nadprzewodniki źródłem energii przyszłości - Nowoczesne kable utrzymują niską temperaturę dzięki próżni

Nadprzewodniki źródłem energii przyszłości - Nowoczesne kable utrzymują niską temperaturę dzięki próżni

Schłodzone nadprzewodniki umożliwiają przepływ prądu bez oporu elektrycznego. Utrata energii podczas transportu jest minimalna. Próżnia ułatwia wytworzenie i utrzymanie wymaganych niskich temperatur.
3_Supraleiter.jpg

Niskie temperatury eliminują opór elektryczny

„Tam gdzie płynie prąd, występuje opór elektryczny". Holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes obalił to twierdzenie związane z elektrycznością w 1911 roku po odkryciu zjawiska zwanego nadprzewodnictwem. Zgodnie z zasadami fizyki kwantowej niektóre materiały tracą oporność elektryczną po schłodzeniu do bardzo niskich temperatur. Dzięki temu prąd elektryczny może przepływać bez utraty energii. Straty wynikające z transportu energii w europejskich sieciach energetycznych wynoszą około sześciu procent. Transport energii elektrycznej bez oporu ograniczyłby więc liczbę wymaganych elektrowni. Jednak stosowanie kabli nadprzewodnikowych to skomplikowana i zaawansowana technologia.

Próżnia chroni przed ciepłem

Kable nadprzewodnikowe mają niewiele wspólnego z konwencjonalnymi liniami energetycznymi: składają się z kilku warstw przypominających wąż ogrodowy o różnej średnicy umieszczonych jedna w drugiej. Warstwy będące pod napięciem zawierają paski nadprzewodnika wykonane z materiału ceramicznego. Temperatura zmiany stanu takich materiałów, czyli punktu, w którym materiał zyskuje możliwość nadprzewodnictwa, wynosi od minus 130 do minus 180 stopni Celsjusza. Temperatury te są uznawane za wysokie w przypadku nadprzewodników. Rolę nadprzewodników wysokotemperaturowych pełnią elementy ceramiczne, jednak do ich działania nadal wymagana jest bardzo niska temperatura w porównaniu z temperaturą otoczenia. Z tego powodu wiązka kabla jest chłodzona schładzanym kriogenicznie ciekłym azotem. Stale przepływa przez pustą przestrzeń, która otacza warstwę nadprzewodnika. Kabel ma także osłonę chroniącą przed wpływem temperatur zewnętrznych złożoną z dwóch ścianek, między którymi znajduje się próżnia — izolacja działająca na tej samej zasadzie co w termosie.

W projekcie pilotażowym AmpaCity jeden taki kabel poprowadzono na odcinku kilometra w centrum miasta Essen między dwiema stacjami transformatorowymi. Kabel zdał test praktyczny podczas dwuletniego etapu próbnego. Oprócz izolującej osłony próżniowej do usuwania ciepła w tym projekcie zastosowano technologię próżniową do chłodzenia azotu. W module chłodzenia wykorzystywane są pompy próżniowe, które utrzymują temperaturę gazu znacznie poniżej punktu wrzenia o wartości minus 196 stopni Celsjusza.

Wzrost wydajności a technologia medyczna

Pomimo złożonej, warstwowej struktury nadprzewodniki są znacznie cieńsze niż porównywalne kable miedziane: mają tę samą średnicę, ale mogą przenosić pięć razy więcej energii elektrycznej. Ponadto wytrzymują dużo większe natężenie niż konwencjonalne kable. Właśnie dlatego eksperci są przekonani, że nowa technologia kabli będzie nie tylko bardziej energooszczędnym rozwiązaniem do transportu energii w sieciach zasilających, ale także umożliwi oszczędność miejsca, co jest istotnym aspektem projektu urbanistycznego w Essen. Kable nadprzewodnikowe mogłyby służyć do transportu energii elektrycznej z sieci energetycznych spoza miasta i rozdzielania jej za pośrednictwem podstacji.

Dzięki nadprzewodnikom mogłaby także wzrosnąć efektywność transformatorów, generatorów i silników. Wymiana miedzianych kabli umożliwi tworzenie mniejszych i lżejszych modeli. Lekkie i wydajne silniki elektryczne mogłyby znaleźć zastosowanie w samolotach. Niektórzy producenci samolotów już rozważają zastosowanie takich rozwiązań.

Nawiasem mówiąc, nadprzewodniki od dawna sprawdzają się w ośrodkach badawczych i zastosowaniach medycznych. Przykładowo akceleratory cząstek są wyposażone w nadprzewodnikowe cewki magnetyczne. Tego typu magnesy są także stosowane w diagnostyce medycznej. Dzięki nadprzewodnictwu obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) generuje bardzo silne pole magnetyczne, które umożliwia uzyskanie obrazu ciała bez poddawania go działaniu promieniowania. Technologia próżniowa ułatwia także chłodzenie i izolację w takich zastosowaniach.

Firma Busch oferuje na całym świecie pompy próżniowe do chłodzenia i izolacji kabli nadprzewodnikowych i cewek magnetycznych.

Bardzo precyzyjna diagnostyka dzięki MRI

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI, czasami nazywane nuklearnym rezonansem magnetycznym) stanowi integralną część diagnostyki medycznej. Umożliwia uzyskanie bardzo szczegółowego obrazu ciała niewidocznego na zdjęciu rentgenowskim. W obrazowaniu MRI fachowe oko może dostrzec uszkodzenia mięśni, więzadeł, ścięgien, naczyń krwionośnych, a nawet nerwów. Umożliwia to lekarzom uzyskanie istotnych informacji na potrzeby zabiegów chirurgicznych lub leczenia nowotworów.

Obrazy powstają dzięki bardzo silnym polom magnetycznym i falom radiowym, które wprawiają w ruch jądra wodoru w tkankach. Ten ruch, spin jądrowy, powoduje powstanie fal elektromagnetycznych. Są one rejestrowane przez urządzenia MRI i zamieniane na obrazy struktury ciała o wysokim kontraście przy użyciu analizy danych. W przeciwieństwie do obrazów rentgenowskich, które przedstawiają głównie kości, obrazy z urządzeń MRI mogą przedstawiać także tkanki miękkie ciała w wysokiej rozdzielczości. Ponieważ urządzenie dokonuje pomiaru warstw o grubości kilku milimetrów, można je także połączyć w obrazy 3D. W zależności od zastosowania pole magnetyczne wymagane w procesie obrazowania jest od 20 000 do 100 000 silniejsze niż występujące na Ziemi. Pole o takiej intensywności można wytworzyć i utrzymać za pomocą nadprzewodnikowych cewek magnetycznych.


Subskrybuj biuletyn „World of Vacuum"!
Subskrybuj teraz, aby otrzymywać najnowsze ciekawe wiadomości z branży urządzeń próżniowych.

SUBSKRYBUJ