Notre énergie future pourrait dépendre de fils supraconducteurs à haute température (HTS). La capacité de cette technologie à transporter l’électricité sans résistance à des températures supérieures à celles requises par les supraconducteurs traditionnels pourrait révolutionner le réseau électrique et même permettre la fusion nucléaire commerciale.
Cependant, ces applications à grande échelle n’auront pas lieu tant que les fils HTS ne pourront pas être fabriqués à un rapport prix/performance égal à celui du fil de cuivre ordinaire vendu dans votre quincaillerie locale.
Une nouvelle recherche menée par l’Université de Buffalo nous rapproche de cet objectif. Dans une étude publiée dans Nature Communicationsles chercheurs rapportent qu’ils ont fabriqué le segment de fil HTS le plus performant au monde tout en rendant la mesure prix-performance nettement plus favorable.
À base d’oxyde de cuivre et de baryum de terres rares (REBCO), leurs fils ont atteint la densité de courant critique et la force d’ancrage les plus élevées (la quantité de courant électrique transportée et la capacité à immobiliser les tourbillons magnétiques, respectivement) signalées à ce jour pour tous les champs magnétiques et toutes les températures de 5 à 77 kelvins.
Cette plage de température est encore extrêmement froide (de moins 451 degrés à moins 321 degrés Fahrenheit), mais supérieure au zéro absolu auquel fonctionnent les supraconducteurs traditionnels.
« Ces résultats aideront l’industrie à optimiser davantage ses conditions de dépôt et de fabrication afin d’améliorer considérablement le rapport prix/performance des conducteurs revêtus commerciaux », déclare l’auteur correspondant de l’étude, Amit Goyal, Ph.D., professeur distingué SUNY et professeur SUNY Empire Innovation au département de génie chimique et biologique de l’UB School of Engineering and Applied Sciences. « Il est nécessaire de rendre le rapport prix/performance plus favorable pour réaliser pleinement les nombreuses applications à grande échelle envisagées des supraconducteurs. »
Les fils HTS ont de nombreuses applications
Les applications des fils HTS comprennent la production d’énergie, comme le doublement de la puissance générée par les éoliennes offshore ; les systèmes de stockage d’énergie magnétique supraconducteurs à l’échelle du réseau ; la transmission d’énergie, comme la transmission sans perte d’énergie dans les lignes de transmission CC et CA à courant élevé ; et l’efficacité énergétique sous la forme de transformateurs supraconducteurs, de moteurs et de limiteurs de courant de défaut hautement efficaces pour le réseau.
Une seule application de niche des fils HTS – la fusion nucléaire commerciale – offre le potentiel de produire une énergie propre illimitée. Au cours des dernières années seulement, une vingtaine d’entreprises privées ont été fondées dans le monde pour développer la fusion nucléaire commerciale, et des milliards de dollars ont été investis dans le développement de fils HTS pour cette seule application.
Les fils HTS sont également utilisés dans l’IRM de nouvelle génération pour la médecine, la résonance magnétique nucléaire (RMN) de nouvelle génération pour la découverte de médicaments et les aimants à champ élevé pour de nombreuses applications en physique. Il existe également de nombreuses applications dans le domaine de la défense, comme dans le développement de navires et d’avions entièrement électriques.
Actuellement, la plupart des entreprises du monde entier qui fabriquent des fils HTS haute performance d’un kilomètre de long utilisent une ou plusieurs des innovations technologiques de plate-forme développées précédemment par Goyal et son équipe.
Il s’agit notamment de la technologie des substrats texturés biaxialement assistés par roulement (RABiTS), de la technologie de dépôt assisté par faisceau d’ions (IBAD) MgO activée par LMOe et des défauts nanocolonnaires à des espacements nanométriques via une séparation de phase simultanée et une technologie d’auto-assemblage pilotée par contrainte.
Record mondial de densité de courant critique et de force d’ancrage
Dans le présent travail rapporté dans Nature CommunicationsLe groupe de Goyal présente des fils supraconducteurs à base de REBCO à très hautes performances.
À 4,2 kelvins, les fils HTS transportaient 190 millions d’ampères par centimètre carré sans aucun champ magnétique externe, également appelé champ propre, et 90 millions d’ampères par centimètre carré avec un champ magnétique de 7 teslas.
À une température plus élevée de 20 kelvins (la température d’application envisagée pour la fusion nucléaire commerciale), les fils pourraient encore transporter plus de 150 millions d’ampères par centimètre carré de champ propre et plus de 60 millions d’ampères par centimètre carré à 7 teslas.
En termes de courant critique, cela correspond à un segment de fil de 4 millimètres de large à 4,2 kelvins ayant un supercourant de 1 500 ampères en champ propre et de 700 ampères à 7 teslas. À 20 kelvins, il est de 1 200 ampères en champ propre et de 500 ampères à 7 teslas.
Il convient de noter que le film HTS de l’équipe, bien qu’il ne mesure que 0,2 micron d’épaisseur, peut transporter un courant comparable à celui des fils supraconducteurs commerciaux avec un film HTS presque 10 fois plus épais.
En ce qui concerne la force d’ancrage, les fils ont montré une forte capacité à maintenir les vortex magnétiques fixés ou en place, avec des forces d’environ 6,4 téranewtons par mètre cube à 4,2 kelvins et d’environ 4,2 téranewtons par mètre cube à 20 kelvins, toutes deux sous un champ magnétique de 7 teslas.
Il s’agit des valeurs les plus élevées de densité de courant critique et de force d’ancrage signalées à ce jour pour tous les champs magnétiques et températures de fonctionnement de 5 kelvin à 77 kelvin.
« Ces résultats démontrent que des améliorations significatives des performances sont encore possibles et donc la réduction des coûts associée qui pourrait potentiellement être réalisée dans les fils HTS commerciaux optimisés », déclare Goyal.
Comment le fil haute performance a été fabriqué
Le segment de fil HTS a été fabriqué sur des substrats utilisant la technologie MgO (IBAD) et en utilisant les défauts nanocolonnaires via une séparation de phase simultanée et une technologie d’auto-assemblage pilotée par contrainte. La technologie d’auto-assemblage permet l’incorporation sur des nanocolonnes isolantes ou non supraconductrices à des espacements nanométriques au sein du supraconducteur. Ces nanodéfauts peuvent fixer les vortex supraconducteurs, permettant des supracourants plus élevés.
« La densité de courant critique élevée a été rendue possible par une combinaison d’effets d’épinglage provenant du dopage aux terres rares, des défauts du point d’oxygène et des nanocolonnes isolantes en zirconate de baryum et de leurs morphologies », explique Goyal.
« Le film HTS a été réalisé à l’aide d’un système avancé de dépôt par laser pulsé via un contrôle minutieux des paramètres de dépôt », ajoute Rohit Kumar, chercheur postdoctoral au laboratoire de l’UB pour la croissance hétéroépitaxiale de matériaux et dispositifs fonctionnels, dirigé par Goyal.
Dans le dépôt par laser pulsé, un faisceau laser frappe un matériau cible et élimine le matériau qui est déposé sous forme de film sur un substrat placé de manière appropriée.
« Nous avons également effectué une microscopie à résolution atomique en utilisant les microscopes les plus avancés du Centre canadien de microscopie électronique de l’Université McMaster pour caractériser les défauts à l’échelle nanocolonnaire et atomique et avons également effectué certaines mesures de propriétés supraconductrices à l’Université de Salerne en Italie », explique Goyal.
Plus d’information:
Densité de courant critique et force d’ancrage ultra-élevées dans un conducteur revêtu à base de REBCO supraconducteur nanostructuré, Nature Communications (2024).