2023

Supravodivé MgB₂ spoje s vysokými prúdmi pripravené IMD postupom

Metódou internej difúzie horčíka (IMD) sme pripravili supravodivé spoje medzi jedno-žilovými MgB2/Ni a MgB2/Nb drôtmi v takzvanej “scarf joint” geometrii. Supravodivý spoj s takouto architektúrou a uhlom prekrytia 15 stupňov dosiahol len 6.7% prúdovej kapacity v porovnaní s kritickým prúdom použitého MgB2/Ni drôtu. Supravodivé spojenie MgB2/Ni drôtov je obtiažne kvôli interakcii Mg častíc s Ni obalom a difúzie Mg-Ni medzi spájané konce, ktoré znemožňujú vytvorenie prúdovej dráhy. Zistili sme, že pridanie práškového bóru medzi spájané drôty výrazne zlepšuje tvorbu supravodivej prúdovej dráhy medzi spájanými vodičmi. Ukázalo sa, že použitie inertného kovového obalu, optimálneho lisovania a pridanie dostatočného objemu práškového bóru sú rozhodujúce pre dobré supravodivé spojenie vodičov pomocou “scarf joint” architektúry. Vytvorené spoje MgB2/Nb drôtov mali vysoké transportné prúdy, až do 60 % kritického prúdu použitého drôtu. Táto technika tak môže byť použitá aj pre MgB2 vinutia pracujúce v perzistentnom móde.

I. Hušek, P. Kováč, T. Melišek and M. Hain, Transport currents and micro-structure of superconducting joint between MgB2/Ni and MgB2/Nb wires made by IMD process, Ceramics International, Volume 49 issue 7 (2023) 11178-11183.

 

Striedavé straty v okrúhlych supravodivých kábloch so striedajúcimi sa a so zhodnými smermi vinutia

Tradične sa pásky z vysokoteplotných supravodičov v okrúhlych kábloch navíjajú so striedavou helicitou (smerom navíjania). Pri navíjaní sa v dôsledku Poissonovho efektu okraje pásky mierne zdvihnú, čo spôsobuje lokálne nepravidelnosti povrchu a ich vtlačením do nasledujúcich vrstiev pások v nich vznikajú defekty zhoršujúce prenos transportného prúdu. Overili sme, že tento efekt je slabší v prípade zhodných smerov navíjania pások, kedy okraje pások vytvárajú v nasledujúcej vrstve defekty rovnobežné s dĺžkou pásky. Nebolo však jasné, ako takéto usporiadanie ovplyvní striedavé straty. Experimentálne skúmanie malých laboratórnych modelov a numerické modelovanie odhalili, že vplyv geometrie je významný iba v nízkych magnetických poliach. V týchto podmienkach mal najnižšie straty kábel pozostávajúci zo stĺpcov na sebe naskladaných pások. Na druhej strane, pri podmienkach očakávaných vo vinutí cievky generujúcej magnetické pole boli striedavé straty pre káble s rôznym usporiadaním približne rovnaké.
Pri experimentálnom overovaní bolo potrebné podrobne preštudovať limity mechanického zaťaženia pások v procese káblovania a význam nehomogenít materiálu ako príčiny nadmernej degradácie kritického prúdu.

Ries, R., Hlaváč, D., Solovyov, M., and Gömöry, F.: Induced delamination in REBCO coated-conductor tape by a scratch line and bending, Physica C 613 (2023) 1354358.

Mošať, M., Šouc, J., Ries, R., and Gömöry, F.: Longitudinal critical current profiles in coated conductors examined by transport and magnetization measurements, IEEE Trans. Applied Supercond. 33 (2023) 6602205.

Gömöry, F., Šouc, J., Godár, M., Hintze, C., and Grosse, V.: Analysis of critical current fluctuations as a means of checking the quality of high-temperature superconductor tape slitting, Supercond. Sci Technol. 36 (2023) 054001.

Kujovič, T., Ries, R., Mošať, M., and Gömöry, F.: The critical current of REBCO coated conductors subjected to a mechanical loading at varying angles, IEEE Trans. Applied Supercond. 33 (2023) 6601004.

Solovyov, M., Šouc, J., Kujovič, T., Frolek, L., and Gömöry, F.: Magnetization AC losses in multilayer superconducting round cables with coinciding and opposite lay angles, Supercond. Sci Technol. 36 (2023) 034001.

Ries, R., Gömöry, F., Mošať, M., Kujovič, T., Hintze, C., and Gil, P.: Effect of off-axis bending on microstructural and transport properties of coated conductor tape, Supercond. Sci Technol. 36 (2023) 014006.

 

2022

Supravodivé motory pre lietadlá na elektrický a vodíkový pohon

Letecká doprava je rastúcim zdrojom emisií skleníkových plynov (CO2, NOx, H2O vo vysokých nadmorských výškach). Medzinárodná asociácia leteckej dopravy (IATA) vytýčila rok 2050 ako cieľ pre úplne bezemisnú leteckú dopravu v západnom svete. Supravodivé elektrické motory umožňujú realisticky uvažovať o elektrických lietadlách či lietadlách na báze vodíka s nulovými emisiami, ktoré predstavujú veľmi zaujímavú alternatívu, keďže kvapalný vodík je možné využiť na chladenie supravodivých až na teplotu 20 K. Na našom ústave sme vybudovali unikátnu experimentálnu aparatúru na meranie strát a ohrevu supravodivých vinutí z REBCO pások v statore motora pri teplote 20 K. Tento ohrev je potrebné minimalizovať, aby bolo možné udržať nízku pracovnú teplotu (medzi 20 a 40 K). Merania neočakávane ukázali, že pre cievku je dominantný zvyškový magnetizmus substrátu REBCO pásky, čo je nutné zohľadniť pri výrobe pások. Pracovali sme aj na konceptoch pre potlačenie efektu demagnetizácie v priečnom poli v rotoroch vyrobených zo stĺpcov supravodivých REBCO pások, ktoré pôsobia ako silné permanentné magnety.

Kováč, J., Kopera, L., Pardo, E., Melišek, T., Ries, R., Berberich, E., Wolfstädler S., and Reis, T.: Measurement of AC loss down to 25 K in a REBCO racetrack coil for electrical aircraft motor, Sci Reports 12 (2022) 16454.

Dadhich, A., Li, S., Solovyov, M., Šouc, J., Mošať, M., and Pardo, E.: Reducing cross-field demagnetization of superconducting stacks by soldering in pairs, Supercond. Sci Technol. 35 (2022) 115001.

 

Vnik magnetického poľa do tenkých supravodivých vrstiev pre rádiofrekvenčné urýchľovacie dutiny

Oddelenie supravodičov je v rámci európskeho projektu I.FAST zapojené do úlohy zameranej na vývoj a optimalizáciu nových typov supravodivých pokrytí pre rádiofrekvenčné rezonančné dutiny, ktoré sa používajú na urýchľovanie a formovanie zväzkov elementárnych častíc v urýchľovačoch. Zaoberáme sa komplexnou charakterizáciou supravodivých vlastností pripravovaných tenkých vrstiev a multivrstiev. Počas riešenia projektu sa nám podarilo štúdiom povrchových defektov na tenkých Nb vrstvách dokázať súvis medzi poľom prvého prieniku magnetického toku do supravodivej vrstvy a zosilnením magnetického poľa v blízkosti defektov. Zistili sme tiež, že faktor zosilnenia magnetického poľa povrchovými defektami, vypočítaný s využitím numerického modelovania metódou konečných prvkov (FEM), je lepším indikátorom hodnoty poľa prvého prieniku ako často používaná priemerná povrchová drsnosť. Povrchovú drsnosť ovplyvňujú všetky defekty vyskytujúce sa na povrchu supravodivej vrstvy, zatiaľ čo výpočtom faktora zosilnenia je možné identifikovať tie ktoré spôsobujú najvyššie lokálne zosilnenie magnetického poľa a rozhodujúcim spôsobom tak ovplyvňujú hodnotu poľa prvého prieniku.

Ries, R., Seiler, E., Gömöry, F., Medvids, A., Onufrijevs, P., Pira, C., Chyhyrynets, E., Malyshev, O.B., and Valizadeh, R.: Surface quality characterization of thin Nb films for superconducting radiofrequency cavities, Supercond. Sci Technol. 35 (2022) 075010.

Ries, R., Seiler, E., Gömöry, F., Medvids, A., Onufrijevs, P., Pira, C., Chyhyrynets, E., Malyshev, O.B., Valizadeh, R., Leith, S., and Vogel, M.: Numerical calculation of magnetic field enhancement and impact of surface defects on premature entry of magnetic field in thin Nb films for SRF cavities, IEEE Trans. Applied Supercond. 33 (2023) 3500405.

 

2021

Supravodivé pumpy magnetického toku

Pumpy magnetického toku (Magnetic Flux Pumps) na báze vysokoteplotných supravodičov (HTS) sú perspektívne zariadenia umožňujúce bezkontaktne zaviesť veľký jednosmerný prúd do supravodivého vinutia či magnetu. Supravodivé dynamo predstavuje jeden z typov púmp magnetického toku, vyznačujúci sa pomerne jednoduchou konštrukciou a ľahkou údržbou. Využitie supravodivého dynama odstráni potrebu objemných prúdových prívodov či rotačných kontaktov v elektrických strojoch. Pracovný mechanizmus dynama z vysokoteplotných supravodičov nie je zatiaľ plne preskúmaný, navrhnutých bolo niekoľko vysvetlení a modelov. Naša skupina nedávno publikovala prvý trojrozmerný numerický model HTS pumpy magnetického toku, ktorý ako prvý umožňuje sledovať rozloženie tieniacich supravodivých prúdov. Tiež sme publikovali výsledky nášho numerického modelovania procesu pumpovania toku do supravodivej cievky čo je relevantné pre všetky výkonové a energetické aplikácie.

Ghabeli, A., Pardo, E., and Kapolka, M.: 3D modeling of a superconducting dynamo-type flux pump, Sci Rep. 11 (2021) 10296.

Ghabeli, A., Ainslie, M., Pardo, E., Queval, L., and Mataira, R.: Modeling the charging process of a coil by an HTS dynamo-type flux pump, Supercond. Sci Technol. 34 (2021) 084002.

 

Zlepšenie vlastností supravodivých vrstiev laserovým žíhaním

V rámci európskeho projektu ARIES sme sa zaoberali štúdiom supravodivých a štruktúrnych vlastností tenkých supravodivých vrstiev žíhaných pomocou laserového lúča. Vývoj tejto technológie je zameraný na optimalizáciu vlastností supravodivého pokrytia vnútorných stien rádiofrekvenčných rezonančných dutín. Experimentálne skúmanie potvrdilo, že laserové žíhanie nanesených vrstiev má potenciál výrazne zlepšiť ich supravodivé parametre. Intenzitu žíhania je však potrebné dôsledne optimalizovať, inak dochádza k vytváraniu nových povrchových defektov a k celkovému zhoršeniu parametrov.

Ries, R., Seiler, E., Gömöry, F., Medvids, A., Onufrijevs, P., Pira, C., Chyhyrynets, E., Malyshev, O.B., and Valizadeh, R.: Improvement of the first flux entry field by laser post-treatment of the thin Nb film on Cu, Supercond. Sci Technol. 34 (2021) 065001.

Leith, S., Vogel, M., Fan, J., Seiler, E., Ries, R., and Jiang, X.: Superconducting NbN thin films for use in superconducting radio frequency cavities, Supercond. Sci Technol. 34 (2021) 025006.

 

2020

Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED)

Po skončení krízy spôsobenej Covid-19 sa očakáva celosvetový nárast leteckej dopravy a s tým spojený nárast emisií. V dokumente ACARE Flightpath 2050 preto európska komisia usiluje o zníženie emisií CO2 o 75%, NOx a pevných častíc o 90% a emisií hluku o 65%. Distribuovaný elektrický pohon umožňuje dosiahnutie týchto cieľov vďaka zvýšenej efektivite a najmä vďaka drastickému zlepšeniu celkovej aerodynamiky lietadla. Elektrickú energiu môžu dodávať batérie alebo aj generátory so spaľovacou turbínou. Cieľom projektu ASuMED je vývoj a konštrukcia plne supravodivého elektromotora s výkonom 1 MW a jeho testovanie v laboratórnych podmienkach. Motor využíva stĺpce vysokoteplotne supravodivých REBCO pások v rotore, ako silné permanentné magnety a vinutia z REBCO pások v statore. Našim najvýznamnejším výsledkom v roku 2020 bolo modelovanie demagnetizácie stĺpcov REBCO pások v priečnom magnetickom poli pre prakticky relevantné počty pások v stĺpci (100) a pre vysoký počet cyklov striedavého (šumového) magnetického poľa, až do dvoch miliónov. Zahrnutie takto vysokých počtov cyklov do numerického modelovania je nevyhnutné, keďže typické šumové polia s frekvenciami okolo 1000 Hz dosiahnu dve milióny cyklov už za 33 minút letu. Vyvinuli sme tiež niekoľko stratégií umožňujúcich zníženie energetických strát v statore pod 0,04% celkového výkonu.

Dadhich, A. and Pardo, E.: Modeling cross-field demagnetization of superconducting stacks and bulks for up to 100 tapes and 2 million cycles, Sci Rep. 10 (2020) 19265.

Dadhich, A., Pardo, E., and Kapolka, M.: Time constant of the transverse-field demagnetization of superconducting stacks of tapes, Supercond. Sci Technol. 33 (2020) 065003.

Li, S., Kováč, J., and Pardo, E.: Coupling loss at the end connections of REBCO stacks: 2D modelling and measurement, Supercond. Sci Technol. 33 (2020) 075014.

Benkel, T., Lao, M., Liu, Y., Pardo, E., Wolftädler, S., Reis, T., and Grilli, F.: T–A-formulation to model electrical machines with HTS coated conductor coils, IEEE Trans. Applied Supercond. 30 (2020) 5205807.

 

2019

Ultraľahké supravodivé MgB₂ vodiče

 

2018

3-rozmerné modelovanie a meranie demagnetizácie objemových supravodičov a zväzku supravodivých pások s priečnymi magnetickými poliami

 

2017

Supravodivé káble pre veľké magnetické systémy

 

2016

Tvarovanie magnetického poľa pomocou kombinácie supravodivých a feromagnetických materiálov

 

2015

Husté supravodivé MgB₂ vrstvy pripravná difúznym procesom (IMD)

 

2014

Modelovanie striedavých strát vo vinutiach z VTS

 

2013

Plochý MgB₂ Rutherford kábel + Nízkostratový kábel zhotovený z transponovaných tvarovaných páskových supravodičov

 

2012

Magnetický plášť z kombinácie supravodič/feromagnetikum