Когда ток проходит через провод, у него не всегда идеальный путь. Крошечные дефекты внутри провода означают, что току приходится идти более сложным маршрутом. Это проблема для инженеров и производителей, стремящихся создать надёжное оборудование.
Благодаря партнёрству с промышленностью исследователи из Инженерного колледжа FAMU-FSU и Центра передовых энергетических систем Университета штата Флорида, а также Национальной лаборатории высоких магнитных полей разработали конструкцию, в которой используются несколько нитей сверхпроводящей ленты для создания кабеля. Это минимизирует вероятность отказа из-за дефектных участков внутри провода. Когда ток встречает дефект в одном проводе, он переходит на соседний провод и продолжает движение.
Исследование, опубликованное в журнале Superconductor Science and Technology, помогает решить инженерные и производственные задачи производителей и может привести к созданию более эффективных и менее дорогих проводов для электродвигателей и многих других применений сверхпроводящих катушек.
«Сотрудничая с компанией Advanced Conductor Technologies, мы не только поддерживаем разработку новой инновационной идеи, но и имеем возможность быстро внедрить технологию в производство», — сказал соавтор Састри Памиди, временный директор Центра передовых энергетических систем и заведующий кафедрой электротехники и вычислительной техники.
«Наше исследование напрямую приводит к созданию недорогих сверхпроводящих проводов и снижает вероятность отказа оборудования из-за дефектов в проводнике», — добавил он.
В рамках предыдущей работы с компанией Advanced Conductor Technologies (ACT) из Колорадо команда Памиди поддержала разработку технологии сверхпроводящих проводов под названием Conductor on Round Core (CORC), которая послужила основой для готовых к использованию сверхпроводящих катушек, использующих гелий для охлаждения вместо жидкого азота. Это изменение даёт инженерам больше гибкости при проектировании, поскольку гелий остаётся в газовой фазе в более широком диапазоне температур, чем другие среды.
Кабели CORC изготавливаются путём намотки полос из нескольких сверхпроводящих лент в форме спирали. Вместо того чтобы паять ленты вместе, они полагаются на давление между лентами, чтобы электричество переходило с одной на другую. Это сохраняет гибкость и прочность провода под натяжением.
Если дефекты распределены по проводу случайным образом, они вряд ли будут скапливаться в одном месте в кабеле. В процессе, называемом распределением тока, ток переходит с одного провода на другой, когда встречает дефект. Это позволяет производителям использовать больше производимого ими провода, минимизируя отходы и снижая затраты.
Сотрудничество приносит пользу всем сторонам, которые в противном случае не смогли бы её получить. Участвующие компании могут воспользоваться инженерным опытом и первоклассными возможностями для решения сложных инженерных задач.
«Опыт и научная инфраструктура Университета штата Флорида сыграли важную роль в разработке сверхпроводящих кабелей и проводов CORC в компании Advanced Conductor Technologies с момента их первого внедрения в качестве коммерческого продукта моей компанией в 2014 году», — сказал Данко ван дер Лаан, президент и главный исполнительный директор Advanced Conductor Technologies.
«Наше сотрудничество с FSU, которое продолжается уже около полутора десятилетий, позволило нам решить многие технические задачи, которые помешали бы нашим кабелям стать успешным коммерческим решением для таких приложений, как термоядерные реакторы, ускорители частиц и силовые установки».
Сверхпроводящие провода имеют множество применений: электродвигатели и генераторы, электрические самолёты, корабли, медицинское оборудование, термоядерные электростанции, центры обработки данных с искусственным интеллектом, линии электропередачи, экспериментальные установки в области физики высоких энергий и многое другое.
Везде, где инженеры хотят, чтобы электричество двигалось, сверхпроводящие провода могут перемещать его без потерь, что позволяет создавать более эффективные машины и магнитные системы, включая магнитную левитацию, используемую в высокоскоростных поездах.
Но производство сверхпроводящих проводов — сложная задача. В процессе производства неизбежно появляются некоторые дефекты в проводе. Традиционным решением этой проблемы была пайка нескольких частей вместе для создания длинной длины провода без дефектов.
Объединение проводов в кабели, как в решении, оптимизированном партнёрством FSU, ACT и SuperPower, — это способ получить преимущества сверхпроводящих проводов по более низкой цене.
«Мы очень рады видеть результаты этой работы», — сказал Ифэй Чжан, вице-президент по исследованиям и разработкам в SuperPower.
«Благодаря уникальной структуре CORC и способу изготовления кабелей в этой работе, проект успешно продемонстрировал, что катушки, изготовленные из дефектных проводов VIC, показали эквивалентные характеристики по сравнению с катушками, изготовленными из почти идеальных проводов. Этот результат может изменить способ расчёта выхода продукции из проволоки, что приведёт к значительному снижению стоимости проволоки».
Первые сверхпроводники нуждались в экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю, для работы. Памиди и другие исследователи CAPS разрабатывают новые технологии для высокотемпературных сверхпроводящих проводов, которые могут проводить ток без сопротивления при температурах до 77 кельвинов, что делает возможными более простые и доступные применения этой технологии.
Superconductor Science and Technology, helps to solve engineering and manufacturing challenges for manufacturers and could lead to more efficient and less expensive wires for electric motors and many other superconducting coil applications.»,»\»By partnering with Advanced Conductor Technologies, not only are we supporting the development of a new, innovative idea, but we also have a way to transition the technology quickly to applications,\» said co-author Sastry Pamidi, interim director of the Center for Advanced Power Systems and chair of the Department of Electrical and Computer Engineering.»,»\»The research we’re doing directly translates into low-cost superconducting wire and mitigates equipment failure due to defects in the conductor.\»»,»Through previous work with Colorado-based Advanced Conductor Technologies, or ACT, Pamidi’s team supported the development of a superconducting wire technology called Conductor on Round Core (CORC) wire, which served as a foundation for ready-to-use superconducting coils that rely on helium gas for cooling instead of liquid nitrogen. The change gives engineers more design flexibility because helium remains in a gas phase over a wider range of temperatures than other media.»,»CORC wires are made by winding bands of multiple superconducting tapes in a spiral shape. Instead of soldering the tapes together, they rely on pressure between the tapes to let electricity flow from one to another. This keeps the wire flexible and strong under tension.»,»If defects are distributed randomly through a wire, they’re unlikely to cluster in one location in a cable. In a process called current sharing, current jumps from one wire to another when it encounters a defect. That allows manufacturers to use more of the wire they make, minimizing waste and lowering costs.»,»The research is the latest outcome of the partnership between researchers at FSU and private industry. Previous work brought together CAPS faculty with ACT. This project also included New York-based company SuperPower Inc., a manufacturer of second-generation high-temperature superconducting tape.»,»The FSU researchers first collaborated with ACT through a U.S. Small Business Administration program called Small Business Innovation Research and Small Business Technology Transfer, or SBIR/STTR.»,»\»We are not just doing research for the sake of doing research,\» Pamidi said. \»It has an impact. Our work helps companies develop products. Without us, those companies cannot do this work, because we are contributing scientific expertise and advanced facilities for research that are directly benefiting companies and helping them to advance their manufacturing processes.\»»,»The collaboration brings benefits to all parties that would otherwise be unavailable. Participating companies can take advantage of engineering expertise and top-notch facilities to help solve difficult engineering problems.»,»\»The expertise and scientific infrastructure of Florida State University have been vital in the development of superconducting CORC cables and wires at Advanced Conductor Technologies since they were first introduced as a commercial product by my company in 2014,\» said Danko van der Laan, president and chief executive officer of Advanced Conductor Technologies.»,»\»Our collaboration with FSU, which has been ongoing for about a decade and a half, has allowed us to solve many technical challenges that would have prevented our cables from becoming a successful commercial solution for applications such as fusion, particle accelerators and power applications.\»»,»Superconducting wires have numerous applications: electrical motors and generators, electric airplanes, ships, medical equipment, fusion power plants, artificial intelligence data centers, power transmission lines, high-energy physics experimental facilities and more.»,»Anywhere engineers want electricity to move, superconducting wires can move it without losses, allowing for more efficient machines and magnet systems, including magnetic levitation used in high-speed trains.»,»But making superconducting wires is challenging. The manufacturing process inevitably introduces some defects in the wire. The traditional solution to that problem has been to solder multiple pieces together to create a long length of defect-free wire.»,»Combining wires into cables, like in the solution optimized by the partnership of FSU, ACT and SuperPower, is a way to get the benefits of superconducting wires at a lower cost.»,»\»We are very happy to see the outcome of this work,\» said Yifei Zhang, vice president of research and development at SuperPower.»,»\»Thanks to the unique structure of CORC and the way the cables in this work were fabricated, the project successfully demonstrated that the coils made with the VIC wires, wires that were considered defective, achieved equivalent performance as the coils that were made with almost perfect wires. This result can change the way the wire production yield is calculated, which will lead to a significant reduction in wire cost.\»»,»The earliest superconductors needed extremely low temperatures, close to absolute zero, to function. Pamidi and other CAPS researchers are developing new technologies for high-temperature superconducting wires which can carry current without resistance at temperatures as high as 77 kelvins, which makes possible simpler and more affordable applications for this technology.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tFlorida State University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Thermodynamics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник