Szupravezetők a mindennapokban Szupravezetők az elektrotechnikában Jelen és jövő Dr Vajda István egyetemi tanár Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék, Supertech Laboratórium
Szupravezetés
Mire jó a szupravezető? Különleges vezető
Mire jó a szupravezető? Különleges mágnes
Mire jó a szupravezető? Különleges mágnes
Szupravezetés Ma hozzuk létre a holnapot!
1 Szupravezetős Nobel-díjasok
Nobel Díjasok Szupravezetős Nobel-díjasok Rövid történeti áttekintés Elektrotechnika, BME VIK 2012
2 A szupravezetés jelensége
1877 folyékony oxigén 1898 folyékony hidrogén 1908 folyékony hélium 1911 szupravezetés 1913 Nobel Díj Heike Kamerlingh Onnes 1853-1926
Elméletek a fémek ellenállásáról
A szupravezetés felfedezése H. Kamerlingh Onnes fedezte fel 1911-ben a LHe-n végzett első kísérletei során. Tiszta Hg-on végzett mérései feltárták, hogy az ellenállás 4.2K-en zérusra csökkent. 1912-ben megállapította, hogy a rezisztív állapot elég nagy mágneses terekben illetve nagy áramok esetén visszaáll. 1913
A kritikus tér hőmérséklet-függése A kísérleti tapasztalat: H c ( T) H c, 0 1 T T h ( t) 1 t c c 2 2 Kritikus tér Silsbee: ha létezik kritikus tér, akkor az áramnak is létezik kritikus értéke: I C
A szupravezető elemek Li Be 0.026 Na Mg Al K Ca Sc Ti 0.39 10 Rb Sr Y Zr Cs Ba La 6.0 110 0.546 4.7 V 5.38 142 Nb 9.5 198 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Mo 0.92 9.5 (Niobium) Hf Ta W 0.12 Nb T c =9K H c =0.2T 4.483 83 0.012 0.1 T c (K) B c @ T=0 (mt) Tc 7.77 141 Re 1.4 20 Ru 0.51 7 Os 0.655 16.5 Rh 0.03 5 Ir 0.14 1.9 T c és B c általában kis értékek. Fe (iron) T c =1K (at 20GPa) 0.875 5.3 Pd Ag Cd 0.56 3 Pt Au Hg 4.153 41 B C N O F Ne 1.14 10 Ga 1.091 5.1 In 3.4 29.3 Tl 2.39 17 Si P S Cl Ar Ge As Se Br Kr Sn 3.72 30 Pb 7.19 80 Legjobban vezető fémek általában nem-szupravezetők Sb Te I Xe Bi Po At Rn A mágneses elemek általában nem szupravezetők...így tudtuk 2001-ig
Kritikus hőmérséklet (K) Szupravezető ötvözetek és oxidok 160 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 (under pressure) 140 120 100 80 60 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 TlBaCaCuO BiCaSrCuO YBa 2 Cu 3 O 7 Folyékony nitrogén hőmérséklet (77K) 40 20 Hg Pb Nb NbC NbN Nb 3 Sn NbN V3Si 3 (LaBa)CuO Nb 3 Ge 1910 1930 1950 1970 1990
Valóban nincs ellenállása a szupravezetőnek? Meghatározható-e a szupravezető ellenállásának felső korlátja? Ez például úgy lehetséges, hogy áramot hozunk létre egy zárt szupravezető gyűrűben. Az áram által létesített mágneses tér időbeni változása mérhető. i B(t) i(t) i(0)e (R /L)t A több mint két évig tartó mérés azt mutatta, hogy sc 10-25 m!! B
Szupravezető = Ideális villamos vezető
Szupravezető (I. Típus) = ideális diamágnes
A Meissner-effektus Az eddigiekben tárgyaltak ideális vezetőre és a szupravezetőre egyaránt vonatkoztak. 1933-ban Meissner és Oschenfeld olyan felfedezést tette, ami alapján feltárult és két vezetési állapot közötti különbség: A Meissner Effektus A szupravezető a minta belsejéből az teljes fluxust kiszorítja.
Az ideális vezető viselkedése
A Meissner-effektus
Miért zérus az ellenállás? Cooper-párok Prof. Vajda István: Szupravezető anyagok és alkalmazásaik
Szupravezetők osztályozása #1 AHS KHS MHS SzHS Fémes Példák: NbTi, Nb 3 Sn Fémes Példa: MgB 2 Kerámia Példák: YBCO, BSCCO??? T c, max = 23,2 K T c, max = 39 K T c, max = 138 K Nincs elméleti korlát (USO) Elméleti: < 30 K T c 40 K Elméleti: > 30 K Hűtés nélkül (?) Gyakorlati Gyakorlati T c, határ < 77 K T c, határ > 77 K
Szupravezetők osztályozása #2 Típus Állapot Feltétel Megjegyzés I. típus Meissner állapot B < B c London-féle behatolási mélység Normál állapot B c < B II. Típus Meissner állapot B < B c1 Ideális: pinning-mentes Kevert állapot B c1 < B < B c2 Nemideális: pinningelt Normál állapot B c2 < B
3 Lebegtetési kísérletek
Az alkalmazott szupravezetők és állandó mágnesek 25,4 mm YBCO lebegtető 36 mm NdBFe állandó mágnes
Lebegtetési kísérlet #1 ZFC = Zero Field Cooled (mágneses tér mentes hűtés) ZFC lebegtetés
Lebegtetési kísérlet #2 Stabil pozíció keresése
Lebegtetési kísérlet #3 FC = Field Cooled (hűtés mágneses térben) FC felfüggesztés, a fluxus befagyasztása
Lebegtetési kísérlet #4 Felmelegedés (S N átmenet folyamata)
4 II. Típusú szupravezetők
Ideális II. típusú szupravezető Ideális, szennyeződésektől és rácshibáktól mentes homogén anyagi minőségű (ideális) II. típusú szupravezetőkben az örvényrács szabadon mozoghat.
A fluxus-kvantum A mágneses tér a szupravezetőbe ún. fluxus-örvények (fluxusszálak, örvények) formájában hatol be. Minden egyes fluxus-szál ugyanakkora fluxust tartalmaz, az ún. fluxus-kvantumot, amelynek értéke f 0 h/2e = 2.07. 10-15 Vs, ahol h a Planck-állandó, e az elektron töltése.
Pinning Inhomogén, nemideális II. típusú szupravezető anyagban a fluxusszálak rögzítődnek az inhomogenitásokon. Az inhomogenitások neve pinning-centrum, a fluxus-szálak rögzítődése ezeken a pinning-centrumokon pinning néven ismert. Fluxuskvantum Pinning: akadályozza a tér behatolását A mágneses tér eloszlása Kritikus áramsűrűség
Pont-típusú pinning-centrum A normál magra ható vonzóerő B Pontszerű hiba j
A véletlenszerű pinning problémája kollektív pinning véletlen pontszerű pinning-centrumokon vortex A pinning-erők összege zérus az egyenes örvényszálon Effektív pinning meghajolt örvényszálon
A mágneses tér behatolása a szupravezetőbe: első mágnesezés (video felvétel)
A mágneses tér behatolása a szupravezetőbe: átmágnesezés (video felvétel)
II. Típusú szupravezetők mágneses viselkedése 4pM, G M 1 0 H H e dx Mágnesezési görbe (mért)
II. Típusú szupravezetők (MHS) villamos karakterisztikái (E-J görbe) MgB 2 huzal YBCO gyűrű
II. Típusú szupravezetők kritikus felülete Áramsűrűség, A/cm 2 Kritikus felület Hőmérséklet, K Mágneses tér, T
A lebegtetési kísérlet magyarázata Mágneses erővonalak Lebegtetés Állandó mágnes Pinning centrumok MHS tárcsa (levitátor)
A szupravezető mint Különleges mágnes
Ember lebegtető
Lebegtetett jármű (kismodell)
5 Az alacsony hőmérséklet előállítása
Forráspontok és párolgáshők Hűtőanyag T forrás [K] T min ~ T max [K] p min ~ p max [torr] h L [J/cm 3 ] Hélium 4.22 1.6 ~ 4.5 6 ~ 984 2.6 Hidrogén 20.39 14 ~ 21 59 ~ 937 31.4 Neon 27.09 25 ~ 28 383 ~ 992 104 Nitrogén 77.39 64 ~ 80 (!) 109 ~ 1026 161 Oxigén 90,18 55 ~ 94 (!) 1.4 ~ 950 243
A hűtés teljesítmény-igénye Szobahőmérséklet = 1x K. Salama, Lecture notes at ASSE 2004
A hűtés hatásfoka (fajlagos hűtőteljesítmény) Hűtőgép hatásfoka T alacsony, K 1 W teljesítmény (alacsony hőmérsékleten) elszállításához szükséges hűtőteljesítmény = 100 % = 20 % Tipikus 4,2 K 1000 W 77.3 2.8 14 75 2.9 14.5 70 3.2 16 65 3.5 17.5 40 6.3 31.5 25 K 125 W 77 K 6-10 W 4.2 68.8 344
Az elektrotechnikai gyakorlatban alkalmazott szupravezetők Anyag T c Alak Nb-Ti 9 K Huzal Nb 3 Sn 18 K Huzal MgB 2 39 K Huzal és tömb YBCO 93 K Szalag és tömb BSCCO 110 K Szalag és tömb
6 A szupravezetős elektrotechnikai alkalmazásokok osztályozása
Az elektrotechnikai alkalmazások osztályai 1. Az előállított mágneses tér nagysága alapján 2. Az áramnem alapján 3. Az alkalmazások jellege alapján
1. Az előállított mágneses tér nagysága alapján Nagy mágneses terű (high field, HF), > 1 T alkalmazások, úgymint generátorok, motorok, fúziós erőművek, magnetohidrodinamika (MHD) és mágneses energiatárolás; Kis mágneses terű (low field, LF), < 1 T alkalmazások, úgymint erősáramú kábelek, transzformátorok, áramkorlátozók.
2. Az áramnem alapján Egyenáramú (DC) alkalmazások, úgymint gerjesztő tekercsek, egyenáramú kábelek, homopoláris gépek; Váltakozóáramú (AC) alkalmazások, úgymint váltakozóáramú kábelek, armaturatekercselések, transzformátorok, áramkorlátozók, stb..
3. Az alkalmazások jellege alapján Versenyző alkalmazások, amelyeknek létezik hagyományos, nem-szupravezetős megoldása (alternatívája, variánsa), a szupravezetős megoldás a hagyományos alternatívánál jobb műszaki paraméterekkel (tipikus példák a nagyobb hatásfok, kisebb méret és súly) és versenyképes árral kell rendelkezzen; versenyző alkalmazásokra példák a generátorok, transzformátorok, kábelek. Résekbe illeszkedő alkalmazások, amelyeknek legalábbis az ipari gyakorlatban nem létezik hagyományos, nemszupravezetős alternatívája. A szupravezetős megoldás olyan rést tölt be, amely hagyományos módon lényegében nem megoldott. Résekbe illeszkedő megoldásokra példák a mágneses energiatároló, a stabilis passzív mágneses csapágyazás, illetve az ilyen csapágyazású energiatároló lendkerék, az áramkorlátozó, továbbá az igen nagy mágneses terek előállítása..
7 Szupravezetős elektrotechnikai alkalmazások Piacközeli prototípusok
Az alkalmazások áttekintése A szupravezetők előnyei Nagy áramok veszteségmentes vezetése Nagy hatásfok (csökkent CO 2 emisszió) AC Veszteségek minimalizálhatók Kis méret és súly Nagyon nagy áramsűrűségek csökkentik a méretet és súlyt Alacsony hőmérsékletű üzem Környezeti szigetelés Olajmentes - környezetkímélő Állandó hőmérséklet nagyobb élettartam Új, növelt funkciójú eszközök lehetősége DE: Komplex technológia Az MHS gyártása ma még korlátozott Költséges Az eszközök megbízhatósága még nem kellően bizonyított Elektrotechnika, BME VIK 2012
Zárlatiáram-korlátozók MHS Zárlati Áramkorlátozók Dr. Vajda István: Szupravezető anyagok és alkalmazások Elektrotechnika, BME VIK 2012
SLIMFormer Pilot Plant SuperTech
A 100 kva Pilot Plant vázlatos rajza Transzformátor Zárlatiáram-korlátozó Induktív terminál Szobahőm és Alacsonyhőm között
A komponensek
Az összeállított Pilot Plant (SuperTech Lab)
Korlátozó üzemállapot
Lendkerekes energiatároló rendszer SuperTech
Lendkerekes energiatároló rendszer
Lendkerekes energiatároló rendszer
Motorok és Generátorok Dr. Vajda István: Szupravezetők a mindennapokban, Forgógépek Pécsi Expo, 2011. február 24.
Szupravezetős hajóhajtó rendszerek
Szupravezetős eszközök a szélenergia felhasználására
Egyéb alkalmazások
BSCCO huzalos áramhozzávezetések Copper end cap warm end HTS panel Including stacks Copper end cap cold end Warm end To water cooled power cable Heat exchanger Screw contact Copper transitions Space for HTS module Soldered contact Clamp contact To busbar HV insulator
Orvosbiológiai alkalmazások: MRI magnets 0.2 T BSCCO MHS mágnes MRI
Orvosbiológiai alkalmazások: MgB2 MRI mágnes
AHS MAGLEV, Japan
Fúziós reaktor (TOKAMAK) ITER + 13,5 T - 12 T 12 T
Integrált szupravezetős rendszerek Teljesen szupravezetős rendszerek Tekintsünk a jövőbe! Elektrotechnika, BME VIK 2012
Szupravezetős mini/mikroerőmű SuperTech
Szupravezetős mikro/minierőmű vázlata Megújulók alkalmazása energiatárolást igényel Legtöbbször kis helyigénnyel A környezet védelme Kisebb méret, súly Kevesebb anyagfelhasználás Csökkentett szennyezés
A megújulókon alapuló mikroerőmű vázlata Villamos energia konverter Szupravezetős minierőmű energiatárolással nagyford. generátor Villamos generátor melegvíz tároló Villamos generátor gázturbina gázmotor Hőenergia energiafű depónia gázgenerátor hőszivattyú biomassza talajhő geoterm Elkészülő minta rendszer
Szupravezetős mikro/minierőmű vázlata
Szupravezetős mikro/minierőmű látványképe transformer SMES FCL generator flywheel
SuperGrid EPRI White Paper, 2006
SuperCity Supermarket School Home H 2 Family Car Nuclear plant DNA-to-order.com H 2 HTSC/MgB 2 P.M. Grant, The Physics World, October Issue, 2009
A jövő szupravezetős városa
Köszönöm a figyelmet!