Sıfır Dirençli süper iletken mıknatıslar: Süper İletken Teknolojisi

Süper iletken bir mıknatıs, son derece düşük sıcaklıklarda sıfır direnç elde etmek için süper iletken malzemeler kullanan bir elektromıknatıstır. Son derece yüksek akım yoğunlukları taşıyabilir ve geleneksel elektromıknatısları çok aşan güçlü manyetik alanlar üretebilir.

Süper iletken mıknatısların özellikleri

Yüksek akım yoğunluğu ve güçlü manyetik alan: Süper iletken malzemeler kritik sıcaklığın altında sıfır direnç elde eder, son derece yüksek akım yoğunlukları taşıyabilir, güçlü manyetik alanlar oluşturabilir ve neredeyse sıfır enerji tüketir. Geleneksel ferromanyetik malzeme şekillendirme teknolojisi ile karşılaştırıldığında, süper iletken mıknatıslar yüksek alan gücü gereksinimlerini karşılamak için daha dik manyetik alan gradyanları üretebilir.

1. Maliyet etkinliği

Küçük süper iletken mıknatıslar alan gücü ve kararlılık açısından geleneksel mıknatıslardan daha üstündür ve daha ucuzdur. Büyük süper iletken mıknatıslar daha uzun süre çalıştıkça yüksek enerji tüketen geleneksel elektromıknatıslardan daha ekonomik hale gelir. Bununla birlikte, 1T'nin altındaki ve düşük kararlılık gereksinimleri olan uygulamalar için, su soğutmalı bakır bobinler hala daha ekonomiktir.

2. Uzun vadeli istikrar

Uzun süreli çalışma modunda, süper iletken mıknatısın L/R zaman sabiti son derece uzundur ve manyetik alan günler hatta aylar boyunca oldukça kararlı kalabilir, bu da özellikle uzun süreli sinyal ortalaması gerektiren deneyler için uygundur.

3. Kompakt tasarım

Yüksek akım yoğunluğu, süper iletken mıknatısların boyutlarının küçük olmasını, daha az laboratuvar alanı kaplamasını ve alan kısıtlaması olan ortamlar için uygun olmasını sağlar.

Soğutma teknolojisi

Süperiletken mıknatısların, süperiletkenlik durumunu korumak için kritik sıcaklığın altında soğutulması gerekir. İki yaygın soğutma yöntemi vardır:

Sıvı soğutma teknolojisi

Sıvı helyum ana soğutucudur ve süper iletken bobinler, sıcaklığın kritik noktanın altında olmasını sağlamak için bir kriyostat içine yerleştirilir. Sıvı helyumun buharlaşmasını azaltmak için genellikle kriyostatın dış katmanında yardımcı soğutma için sıvı nitrojen kullanılır ve bu da işletme maliyetlerini önemli ölçüde azaltır.

Mekanik soğutma teknolojisi

Bir Gifford-McMahon veya darbe tüpü buzdolabı kullanılır. İlk aşama (77K) kriyostat için yardımcı soğutma sağlar ve ikinci aşama (4.2K, soğutma gücü <2W) doğrudan süper iletken bobinleri soğutur. Darbe tüplü soğutucular akustik süreçler kullanır, düşük titreşime ve uzun bakım aralıklarına sahiptir ve özellikle uzun vadeli süper iletken sistemler için uygun olan yavaş yavaş ana akım haline gelmektedir.

Süper iletken malzemeler ve performans

Süper iletken mıknatısların performansı, malzemenin kritik sıcaklığı (Tc), kritik manyetik alanı (Hc) ve kritik akımı (Ic) ile sınırlıdır. Yaygın olarak kullanılan malzemeler şunlardır:

Niyobyum titanyum (NbTi): kritik sıcaklık 10K, 4.2K'da 9-10T manyetik alanı destekler ve 2K'da 9.5-10T'ye ulaşabilir, düşük alan alanı ve nükleer manyetik rezonansın uzun vadeli stabilite gereksinimleri için uygundur.

Niyobyum kalay (Nb3Sn): kritik sıcaklık 18K, 2.2K'da 23T'yi destekler (4.2K'da daha yüksek), yüksek alan alanı için uygundur.

Yüksek sıcaklık süper iletkeni (HTS): 4,2K'da 45T'ye kadar manyetik alanı destekler, ultra yüksek manyetik alan ekleri ve akım uçları için uygundur, ısı sızıntısını azaltır.

Süper iletken mıknatıs atılımı: 32T tam süper iletken mıknatıs

1819 yılında Oersted, elektrik akımının manyetik alan oluşturduğunu keşfederek elektromıknatısların temelini atmıştır. Süper iletkenliğin 20. yüzyılda keşfi, mıknatıs gücünde bir sıçramaya yol açmış, ticari süper iletken mıknatıslar 23T'ye ulaşarak sıradan mıknatıslardan 2.000 kat daha güçlü hale gelmiştir.

2017 yılında Florida Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı, 2019 yılında kullanıma sunulan 32T tamamen süper iletken bir mıknatıs geliştirdi. Mıknatıs, alan gücünü önemli ölçüde artırmak için düşük sıcaklık süperiletkenliği ile yüksek sıcaklık süperiletkenliğini birleştiriyor. 32T'lik bir manyetik alan 300 tondan fazla stres üretiyor. Bobin epoksi reçine ile emprenye edilmiş ve yapıyı Lorentz kuvvetine karşı güçlendirmek için bir vakum odasına yerleştirilmiştir.

Süper iletken mıknatısların uygulamaları

Nükleer manyetik rezonans ve spektroskopi: Yüksek alanlı süper iletken mıknatıslar yüksek çözünürlük ve kararlılık sağlayarak biyomedikal, kimyasal ve fiziksel araştırmaları yönlendirir.

Kuantum salınımları ve malzeme bilimi: karmaşık metallerin ve moleküler katıların kuantum davranışını ortaya çıkarmak.

Nanoteknoloji: 32T mıknatıslar, malzeme gücünü, katalitik performansı ve iletkenliği optimize etmek için 1-100nm ölçeğinde atomik/moleküler yapıların manipüle edilmesine yardımcı olur.

Parçacık hızlandırıcıları: yüksek enerjili fizik deneylerini destekler.

Füzyon reaktörleri: güçlü manyetik alanlar sağlar, plazmayı kontrol eder ve ITER gibi projelerde temiz enerjinin geliştirilmesini destekler.

Maglev demiryolu: Japonya'nın verimli ulaşım sağlamak için maglev sisteminin süspansiyonu, yönlendirilmesi ve itilmesi için kullanılır.

Sonuç

Süper iletken mıknatıslar, mükemmel performansları ve geniş uygulama olanakları ile bilim ve teknolojinin sınırlarını yeniden şekillendiriyor. Malzeme bilimi ve mühendislik teknolojisinin ilerlemesiyle birlikte, yeni nesil süper iletken mıknatıslar daha verimli ve ekonomik çözümler getirecek, insanların bilinmeyeni keşfetmesine ve küresel zorlukları çözmesine yeni bir ivme kazandıracaktır.

Ethan Huang

Kendimi mıknatıslar hakkında popüler bilim yazıları yazmaya adadım. Makalelerim ağırlıklı olarak prensiplerine, uygulamalarına ve endüstri anekdotlarına odaklanıyor. Amacımız okuyuculara değerli bilgiler sunarak herkesin mıknatısların cazibesini ve önemini daha iyi anlamasına yardımcı olmaktır. Aynı zamanda, mıknatısla ilgili ihtiyaçlar hakkındaki görüşlerinizi duymak için sabırsızlanıyoruz. Mıknatısların sonsuz olanaklarını birlikte keşfederken bizi takip etmekten ve bizimle etkileşime geçmekten çekinmeyin!

Tüm Gönderiler