Câbles supraconducteurs ultrafins

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont trouvé un moyen de fabriquer des câbles d'alimentation supraconducteurs à haute température d'un dixième du diamètre des câbles supraconducteurs existants, mais pouvant transporter autant de courant. Les câbles minces et flexibles pourraient ouvrir de nouvelles applications dans la transmission d'énergie électrique et pourraient conduire à de nouveaux aimants puissants.

Bobine supraconductrice : La coupe transversale d'un nouveau type de câble supraconducteur à haute température montre un noyau de cuivre multibrin enroulé en spirale avec des rubans supraconducteurs.

Les câbles pourraient fournir un remplacement léger et compact pour les câbles d'alimentation en cuivre, selon un chercheur du NIST Merci van der Laan , qui a dirigé les travaux. Les aimants supraconducteurs fabriqués avec les câbles généreraient des champs magnétiques beaucoup plus élevés que ce qui est possible aujourd'hui. Des champs aussi élevés seraient utiles pour la physique des hautes énergies et pour les thérapies par protons utilisées dans le traitement du cancer.

Les supraconducteurs conduisent des courants électriques élevés sans chauffer ni perdre de puissance lorsqu'ils sont refroidis. Les aimants supraconducteurs présents dans les appareils d'imagerie médicale et les accélérateurs de particules utilisent généralement des alliages de niobium qui deviennent supraconducteurs en dessous de 10 K (-263 °C). Mais certains composés constitués d'éléments des terres rares, de baryum, de cuivre et d'oxygène deviennent également supraconducteurs à des températures supérieures à 70 K (-203 °C), auquel cas ils peuvent être refroidis à l'aide d'azote liquide ou d'hélium gazeux.

Les câbles supraconducteurs à haute température ont été présentés comme une alternative prometteuse aux câbles en cuivre pour la transmission d'énergie électrique dans les environnements urbains et les espaces compacts. En effet, un seul câble supraconducteur pourrait remplacer plus de 10 câbles en cuivre, réduisant ainsi le poids de plus de 95 % et éliminant les pertes de chaleur.

Les câbles d'alimentation cryogéniques supraconducteurs sont généralement fabriqués à l'aide de rubans supraconducteurs enroulés autour d'âmes métalliques pleines ou creuses. Les rubans sont de fines bandes de métal recouvertes d'une couche micrométrique de supraconducteur et de films d'isolants céramiques. Des câbles supraconducteurs ont récemment été utilisés dans des démonstrations de petits réseaux électriques. Un câble à base de bismuth a été installé dans une sous-station de service à Columbus, Ohio, en 2006, par exemple. Il a un diamètre de sept centimètres et peut transporter 3 000 ampères.

En comparaison, van der Laan a fabriqué un câble de 7,5 millimètres de large pouvant transporter 2 800 ampères. Un autre a un diamètre de 6,5 millimètres et peut contenir 1 200 ampères. Les câbles peuvent être pliés autour d'un câble d'un diamètre inférieur à un quart de mètre.

Van der Laan commence par un noyau composé de plusieurs brins de cuivre gainés d'une isolation en nylon. Ensuite, il enroule des bandes supraconductrices en cuprate de baryum et de gadolinium dans des directions alternées autour du noyau. Ses résultats expérimentaux ont été récemment publiés en ligne dans la revue Science et technologie des supraconducteurs .

Les câbles supraconducteurs conventionnels sont plus légers que ceux en cuivre, mais ils sont toujours si lourds qu'ils doivent être enterrés sous terre, explique van der Laan. Les chercheurs étudient des options pour les utiliser comme lignes aériennes au lieu de lignes souterraines, dit-il, mais les câbles conventionnels sont trop lourds pour être utilisés en aérien. L'un des avantages de nos câbles est qu'ils sont beaucoup plus légers.

Jusqu'à présent, on supposait qu'on ne pouvait pas fabriquer des câbles supraconducteurs si fins, dit Venkat Selvamanickam , professeur de génie mécanique et expert en supraconductivité à haute température à l'Université de Houston. La préoccupation était de savoir si les bandes pouvaient être pliées à des noyaux de si petit diamètre tout en maintenant une capacité de transport de courant élevée sans aucun dommage.

David Larbalestier , un scientifique du National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, en Floride, affirme que les nouveaux câbles sont un parfait exemple de bonne ingénierie. Il n'y a pas de nouvelle science de fusée ici. Ils ont appliqué des techniques parfaitement standard pour faire un câble. Larbalestier ne pense pas que les nouveaux câbles trouveront facilement leur chemin dans la transmission de puissance, cependant. Beaucoup de gens aimeraient utiliser des supraconducteurs à haute température pour révolutionner l'industrie des services publics d'électricité, dit-il. Mais l'industrie est relativement conservatrice et peu habituée à la cryogénie. D'autre part, le grand marché de plusieurs milliards de dollars des supraconducteurs fabrique des aimants qui consomment très peu d'énergie.

Les aimants supraconducteurs d'aujourd'hui contiennent des fils de niobium-titane enroulés en bobines qui peuvent fournir au plus 25 champs magnétiques Tesla. Les aimants fabriqués à l'aide des nouveaux câbles supraconducteurs à haute température pourraient donner des champs plus élevés tout en nécessitant potentiellement moins d'énergie pour le refroidissement. .

Le faible poids et la flexibilité sont particulièrement attrayants pour l'armée en remplacement des câbles en cuivre volumineux qui transportent de grandes quantités d'énergie des générateurs aux armes et appareils à bord des avions et des navires. Si vous envisagez de remplacer des câbles en cuivre standard sur un navire de la Marine, vous devez pouvoir tirer le câble à travers des conduits existants avec de nombreux coudes aigus, explique van der Laan. Il fabrique actuellement un câble de démonstration pour l'armée américaine. Les chercheurs de CERN (l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire) en Suisse sont également intéressés à utiliser les câbles minces pour alimenter les plusieurs milliers d'ampères de courant vers les aimants utilisés au Grand collisionneur de hadrons .

cacher