超细超导电缆以一当十


  国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经找到一种方法,可以制备高温超导电力电缆,这种电缆可以传输同样多的电流,就像现有的超导电缆,但只有十分之一的直径。这种细而柔性的电缆可以开辟一些新的应用,用于电力传输,并可能带来新型强大磁体。

  这种电缆可以提供一种轻型、紧凑的替代品,以取代铜缆,国家标准与技术研究院的研究人员丹科·凡·德·拉恩(Danko van der Laan)说,他领导这项工作。超导磁体的制备采用电缆,就会产生高得多的磁场,这是今天不可能的。如此高的磁场可用于高能物理和质子癌症治疗。

  超导体传导高电流无需加热,而且不损耗电力就可以使超导体冷却。这种超导磁铁见于医疗成像设备和粒子加速器,通常使用铌(niobium)合金,这种合金变为超导需要低于10开氏度(-263℃)。但是,一些特定的化合物的制备是采用稀土、钡、铜和氧,也可以变为超导体,只是需要更高的温度,高于70开氏度(-203℃),在这一点上,它们可以被冷却,只需要用液氮或氦气。

  高温超导电缆已被吹捧为一种有希望的替代方案,可以取代铜缆,传输电力,用于城市环境和紧凑的空间。这是因为仅仅一根超导电缆就可取代10根以上的铜缆,减轻重量95%以上,而且消除了热损耗。

  低温超导电力电缆的制备通常采用超导“带”缠绕实心或空心金属芯。这些磁带是一些细条状金属,涂有微米厚的一层超导体和薄膜状陶瓷绝缘体。超导电缆最近被用于小型电网示范。有一种铋基电缆被安装在美国俄亥俄州(Ohio)哥伦布市(Columbus)的一个实用变电站,那是在2006年,这只是举个例子。它的直径是7厘米,可传输3000安培。

  相比之下,凡?德?拉恩制成的电缆有7.5毫米宽,可传输2800安培。另一种电缆直径6.5毫米,可传输1200安培。这种电缆可以弯曲围绕一根直径小于四分之一米的电缆。

  凡?德?拉恩开始采用的芯是用多股铜线制成,外壳采用绝缘尼龙。然后,他缠绕钡钆铜氧化物(gadolinium barium cuprate)超导磁带,以交替方向缠绕,围绕核心。他的实验结果,最近在线发表于杂志《超导科学与技术》。

  常规超导电缆轻于铜制电缆,但还是那么重,因此还是必须被埋在地下,凡?德?拉恩说。 “研究人员正在寻找一些选择办法,以便使用它们时采用高架线路,而不是埋入地下,”他说,“但传统的电缆太重,不能使用高架。我们电缆的好处之一是它们要轻得多。”

  直到现在,人们一般认为你不可能制作超导电缆时做得这么细,温卡特·塞尔瓦曼尼卡姆(Venkat?Selvamanickam)说,他是休斯敦大学(University of Houston)机械工程教授和高温超导专家。“令人担心的是,这种磁带是否可以弯曲缠绕如此小直径的芯,而仍然能保持较高电流承载容量,不会有任何损坏。”

  大卫·拉巴莱斯提尔(David Larbalestier)是佛罗里达州塔拉哈西(Tallahassee)国家高磁场实验室(National High Magnetic Field Laboratory)的科学家,他说,新的电缆是良好工程的完美典范。“这里没有新的火箭科学。他们完美地应用标准技术来制备电缆。”但是,拉巴莱斯提尔并不认为,新的电缆会很容易找到它的途径,进入电力传输。“很多人会喜欢使用高温超导体来革命性地改变电力工业,”他说。“但业内是比较保守的,而且不习惯使用低温技术。另一方面,巨大的数十亿美元的超导市场正在制造的磁体耗电都非常低。”

  今天的超导磁体包含铌钛丝(niobium-titanium wires),这些丝被缠绕进线圈,可以提供最多25特斯拉(Tesla)的磁场。这些磁铁的制备使用新的高温超导电缆,可以提供更高的磁场,而可能只需要较少的电就可冷却。这种紧凑的高场磁体可用于质子癌症治疗(proton cancer treatment)和高能物理,凡·德·拉恩说。

  瑞士欧洲核研究组织(CERN)的研究人员也有兴趣使用这些细电缆,把数千安培的电流输进一些磁铁,这些磁铁用于大型强子对撞机。

  低重量和灵活性尤其具有吸引力,军队可以用来替代体积较大的铜缆,用以传输大量电力,从发电机输给武器和设备,这些武器和装备都可用在飞机和船舰上。“如果你考虑要更换海军舰艇上的标准铜电缆,你就必须要能拉着电缆穿过现有的导管,这会有许多急弯,”凡?德?拉恩说。他现正为美军制造示范电缆。