Ученые испытали надежный сверхпроводящий кабель
Исследователи из Новой Зеландии, США и Швейцарии создали и протестировали высокотемпературный сверхпроводящий кабель, отличающийся надежностью, простотой конструкции, термостойкостью и высокой механической стабильностью. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Superconductor Science and Technology.
Сверхпроводимость — состояние материала, подразумевающее отсутствие электрического сопротивления. Оно наблюдается более чем у сотни элементов и соединений, и их число постоянно пополняется. Состояние достигается при охлаждении вещества или соединения до определенной (критической) температуры и при нормальном давлении эта температура ниже 100 кельвин для большинства материалов.
С помощью сверхпроводников можно получать сильные магнитные поля, которые можно применять, например, в токамаках и стеллараторах — реакторах для управляемого термоядерного синтеза, а также в коллайдерах, маглевах и в других интересных проектах. Обмотка реакционной камеры из сверхпроводящего кабеля в токамаке организует тороидальные магнитные поля, которые удерживают плазму на расстоянии от стенок камеры, которые не способны выдержать температуру плазмы, равную 108 и более кельвин.
Проблема в том, что сверхпроводящие кабели имеют ненадежную многослойную конструкцию, а сильное магнитное поле способно выдавить жилы сверхпроводника из-под обмотки кабеля наружу. Обслуживать и производить кабели дорого, они нуждаются в регулярной подаче криогенного охладителя для поддержания состояния сверхпроводимости. Кроме того, монтировать такие кабели сложно — места контакта уязвимы и недолговечны. Любое нарушение структуры приводит к возникновению электрического сопротивления и нагреву, что разрывает цепочку сверхпроводимости. Эти недостатки тормозят изучение управляемого термоядерного синтеза, увеличивая себестоимость энергии, полученной таким путем.
Захари Хартвиг (Zachary S Hartwig) из Массачусетского технологического института вместе с коллегами представил сверхпроводящий кабель, совмещающий в себе относительно небольшую стоимость изготовления и высокую надежность. Разработка получила название VIPER (Vacuum pressure impregnated, Insulated, Partially transposed, Extruded and Roll-formed) — акроним технологических процессов его изготовления и структуры. Основа кабеля состоит из впаяных в медный сердечник методом вакуумной пропитки скрученных лент сверхпроводниковых материалов GdBa2Cu3O7−δ и YBa2Cu3O7−x — оксидов гадолиния-бария-меди и иттрия-бария-меди. В центре кабеля расположен канал для хладагента. Сверху кабель покрыт дополнительной медной оболочкой и опционально может быть обернут нержавеющей сталью. Именно за счет паяной цельной конструкции и оптимального соотношения толщины медного основания и сверхпроводящих лент достигается высокая стабильность кабеля.
Создатели отмечают простоту соединения нескольких кабелей такого типа между собой: конец кабеля покрывают серебром, а контакт происходит с помощью двояковогнутого соединительного элемента из меди с проволокой из индия, в пазы которого вкладываются кабели. Конструкцию легко можно дублировать на большие длины и ее стоимость обещает быть невысокой при ожидаемом спросе 1000 километров в год на сверхпроводящие кабели.
Разработку испытали в Институте Пауля Шеррера, в Швейцарии на установке для тестирования магнитов и кабелей SULTAN, способной генерировать магнитное поле до 11 Тесла и ток до 100 килоампер. Несколько кабелей подвергали воздействию сил равных от 136 до 382 килоньютон на метр, при прохождении максимального тока до 35 килоампер и магнитного поля 10,9 Тесла на метр, в течение от 150 до 2000 циклов работы. При максимальной нагрузке 382 килоньютон на метр, что почти в четыре раза больше предыдущего рекорда в 102 килоньютон на метр, деградация проводящих свойств оказалось незначительной, и составила не более 4,1 процента. Конструкция кабеля также показала высокую криостабильность и выдержала три последовательных тепловых импульса от нагревателя мощностью 45 ватт, быстро возвращаясь к рабочему значению температуры и сохраняя сверхпроводящие свойства.
Конструкторы утверждают, что их кабель планируется использовать в проекте нового токамака SPARC, строительство которого запланировано на 2021 год. В отличие от купратов-керамиков в роли сверхпроводников в кабеле VIPER, сверхпроводимость в твердом материале на основе сероводорода и метана недавно достигли при температуре выше нуля градусов Цельсия. Правда, давление, необходимое для сохранения сверхпроводимости в этом материале, должно превышать 1,4 миллиона атмосфер.
Роман Колесов
Материаловеды выяснили, как соли муравьиной кислоты улучшают эффективность и стабильность солнечных элементов. Оказалось, ионы формиата заполняют вакансии иода на границе перовскитных кристаллов, а также замедляют скорость кристаллизации перовскита, поэтому вместо множества мелких кристаллитов формируются один крупный. Полученные солнечные элементы продемонстрировали эффективность в 25, 6 процента. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Эффективность солнечных элементов на основе смешанных свинцово-галогенидных перовскитов всего за десять лет увеличилась с 3,8 до 25,5 процента. Такие солнечные элементы дешевы и просты в получении, а еще их можно делать полупрозрачными и использовать в качестве верхней части тандемного солнечного элемента. Чаще всего в солнечных элементах используют перовскиты состава MAx(FA)1-хPbI3, где MA и FA — органические однозарядные катионы метиламмония и формамидиния. Для повышения стабильности и эффективности часть метиламмония заменяют на цезий, а часть иода — на хлор и бром. С недавних пор ученые стали добавлять в перовскитную решетку еще и анионы формиатов (солей муравьиной кислоты), которые стабилизируют перовскиты даже лучше, чем анионы хлора и брома — например, в феврале мы писали о работе китайских химиков, которые смогли с помощью муравьиной кислоты вырастить рекордно большие монокристаллы для фотодетектора. Но четкого понимания механизма происходящих процессов у ученых до сих пор не было. В одних работах писали, что формиат помогает контролировать рост перовскитных кристаллов, в других — что главная причина в предотвращении фазовой сегрегации (разделении разных подтипов катионов и анионов в пространстве, в результате чего перовскитная пленка становится неоднородной). Разобраться в вопросе смогли китайские, шведские, корейские и швейцарские ученые под руководством Майкла Гретцеля (Michael Grätzel) из Федеральной Политехнической Школы Лозанны и Джин Йонга Кима (Jin Young Kim) из Ульсанского Национального Института Науки и Технологии. Они работали с перовскитом состава FAPbI3, в который добавляли от одного до пяти мольных процентов формиата формамидиния FAHCOO. На снимках сканирующей электронной микроскопии видно, что добавки формиата помогают получить перовскитные кристаллиты большего размера — до двух микрометров. Метод рентгеновской дифракции подтвердил, что пленки с формиатом имеют лучшую кристалличность — то есть процент аморфного перовскита в них ниже. Кроме того в пленках с формиатом полностью отсутствовала фаза δ-FAPbI3, в которую основная фаза, α- FAPbI3, постепенно превращается под действием следов влаги. Перовскит δ-FAPbI3 не фотоактивен, поэтому чем ниже его содержание в пленке, тем лучше для будущего солнечного элемента. Самые качественные пленки получились с добавками двух мольных процентов формиата. При более высоких концентрациях формиата кристаллиты перовскита становились разупорядоченными.