Vplyv mechanického namáhania na vlastnosti supravodivých REBCO vodičov

Nízkostratové zariadenia sú potrebné pre prevenciu globálneho otepľovania. Zariadenia využívajúce supravodivé vodiče sa ukazujú ako možné riešenia pre tieto ciele. Naši kolegovia z oddelenia Aplikovanej supravodivosti nedávno predstavili spôsob charakterizácie vplyvu mechanického namáhania na elektromagnetické vlastnosti supravodičov.

Supravodivosť je špeciálny stav materiálu v oblasti určitých kritických parametrov, kedy dokáže supravodivý materiál pri nízkych teplotách (<-145° C) prenášať vysoké elektrické prúdy vo vysokých magnetických poliach s nízkymi až nulovými stratami. Často spomínané supravodivé zariadenia vhodné pre dosiahnutie spomínaných cieľov sú supravodivé nízko-stratové vysoko-napäťové káble alebo supravodivé magnety, umožňujúce zostrojiť fúzne reaktory. V oboch prípadoch je dôraz na optimálny návrh týchto zariadení, čo je podmienené komplexnou charakterizáciou supravodivých vodičov.
Supravodivý vodič Rare Earth Barium₂ Copper₃ Oxide_7-δ (REBCO) je vhodným kandidátom pre spomínané zariadenia. Supravodič REBCO je vyrábaný ako obdĺžnikový viacvrstvový kompozit vo forme pásky, pričom samotná supravodivá vrstva zvyčajne predstavuje menej ako 5% objemu jeho prierezu. Táto krehká supravodivá keramická vrstvička je obklopená kovovými vrstvami, ktoré slúžia na elektrickú, tepelnú a mechanickú stabilizáciu. Elektromagnetické vlastnosti týchto pások sú podrobne študované, avšak vplyv mechanického namáhania na ich elektromagnetické vlastnosti je preskúmaný menej. Taktiež sa tieto supravodivé pásky každým rokom vylepšujú a ich štruktúra sa čiastočne mení, čo znamená že ich treba nanovo charakterizovať. Naši kolegovia z oddelenia Aplikovanej supravodivosti nedávno predstavili spôsob charakterizácie týchto vlastností s dôrazom na jednoduchú konštrukciu a vysokú opakovateľnosť meraní. Supravodivá REBCO páska je nakontaktovaná na prúdové a napäťové kontakty meracieho zariadenia a zariadenie sa následne ponorí do tekutého dusíku (77 K), aby sa dosiahla požadovaná nízka teplota, pri ktorej páska vykazuje supravodivý stav. Pri týchto podmienkach sa zmeria jej referenčný kritický prúd. Následne je do pásky vtlačené teleso s kruhovým profilom s vopred určeným priemerom a pod určitým uhlom. Zatiaľ čo je páska mechanicky zaťažená, sa premeria jej kritický prúd. Ak sa nezmenil, priemer vtláčaného kruhového telesa sa zmenší a meriame, až kým nenájdeme priemer pri ktorom kritický prúd konkrétnej supravodivej REBCO pásky klesne. Vplyv jednotlivých parametrov merania je overený pomocou numerických a analytických výpočtov, vďaka čomu sa dá meranie spoľahlivo opakovať pri rovnakých podmienkach. Z meraní sme mohli pozorovať správanie supravodivých pások od dvoch výrobcov. Pri jednej páske uhol pôsobenia mechanického namáhanie nemal očividný vplyv, avšak pri druhej páske sme zistili, že má uhlovú závislosť a zohladnením tejto závislosti vieme navhrnúť optimálne použitie tejto pásky. Jednoduchosť tejto metódy by mala umožniť získať dostatočne veľké množstvo poznatkov o správaní týchto supravodičov pri mechanickom zaťažení a nájsť limity špecifických pások. Tieto zistenia by mali umožniť urýchlenie konštrukcie spomínaných supravodivých káblov alebo fúznych reaktorov a pomôcť predísť globálnemu otepľovaniu. 

DOI: 10.1109/TASC.2023.3242924

Autori: T. Kujovič, R. Ries, M. Mošať, F. Gömöry

Vypracoval: T. Kujovič