ابررساناهای با پوشش YBCO – 123

در راستای افزایش تولید سیم نسل اول بسیاری از تولید کنندگان نیز به دنبال توسعه نسل دوم مواد HTS که بر مبنای فیلم‌های نازک اکسید مس ایتریم باریوم[1] YBa₂ Cu ₃O ₇یا YBCO – 123. از آنجا که مشخصه مواد BSCCO-2223 بر مبنای مواد HTS است سیم‌های نسل اول زمانی که نیاز به میدان مغناطیسی بیشتر از 2 تسلا بود محدود به درجه حرارت‌های کمتر از 40 درجه کلوین می‌شدند. عملکرد نسبی سیم‌های نوعی نسل اول(BSCCO - 2223) و نسل دوم (YBCO coated) در شکل زیر در دمای77 درجه کلوین مقایسه شده است.

مقایسه عملکرد بین سیم‌های نسل اول و دوم معمول.

همانطور که مشهود است سیم نسل دوم چگالی جریان بحرانی‌اش(J_c)در میدان مغناطیسی بسیار بالاتری از سیم نسل اول است. سیم نسل دوم دارای معماری قابل توجه و متفاوتی نسبت به سیم نسل اول است. بر خلاف سیم نسل اول، در سیم نسل دوم از فلزات نجیب مانند نقره استفاده نشده است، که هنوز مانع اصلی برای رسیدن به سیم نسل اول با هزینه پایین است. مزایای اصلی سیم‌های نسل دوم عبارتند از: پتانسیل برای کاهش هزینه تا 2 الی 3 برابر به دلیل جریان بحرانی بالاتر(I_c)، توان عملیاتی بالاتر، و هزینه ساخت کمتری توسط اتوماسیون است. هزینه و قابلیت استفاده در مسیرهای طولانی با راندمان بالا، دو شرط کلیدی برای سود‌دهی تجاری سیم‌های نسل دوم در نظر گرفته شده بود. همچنین به عنوان جایگزینی فرم مناسب تابع برای سیم نسل اول، سیم نسل دوم ممکن است نیازمند مهندسی مجدد حداقل در کاربردهایی که تاکنون در سیم نسل اول توسعه پیدا کرده‌اند و تجاری شده‌‌اند داشته باشد. سیم نسل دوم با ظرفیت توان بیشترش انتظار می‌رفت گزینه‌های پیکربندی در دسترس را توسط طراحان تجهیزات برق گسترش دهد. در حالی که بسیاری از تولید کنندگان دیگر در حال توسعه ابررساناها نسل دوم در سراسر جهان بودند،‌ دو تکنولوژی، MOD/RABiTS توسط AMSC وIBAD – MgO توسط سوپر پاور[2] اقتباس شد. که این دو توسعه یافته‌ترین و رایج‌ترین فرآیندهای تولید مورد استفاده هستند. سبک معماری نمونه سیم نسل دوم YBCO در شکل زیر آورده شده است.

ساختار سیم ابررسانای نسل دوم شرکت امریکن‌سوپرکانداکتور.

---

[1] yttrium barium copper oxide

[2] SuperPower

ابررسانای BSCCO-2223 OPIT

      ابررسانای دما بالایBSCCO-2223 دارای دمای بحرانی حدود 110کلوین است که حدود20 کلوین بیشتر از BSCCO-2212است. روشOPIT [1]برای ساخت ابررسانای انعطاف‌پذیر چند رشته‌ای مرکب توسط بسیاری از سازنده‌ها مورد استفاده قرار گرفته است که سیم نسل اول(1G)[2] نامیده می‌شود. پروسه ساخت OPIT در تولید صنعتی با موفقیت اجرا شد و نوار ممتدد که به طول چند صد متر بدست آمد که همزمان قیمت و ظرفیت نوار را بهبود بخشید. این نوارهای HTS نسل اول یک واقعیت تجاری بود و توانایی عملکرد الکتریکی، مکانیکی وحرارتی موجب استفاده آنها در ماشین‌های الکتریکی، کابل‌های فشارقوی ودیگر کاربردها شد. اگرچه هنوز کمترین قیمت این مواد در سال 2005 تقریبا 100 دلار به ازای هر کیلوآمپرمتر بود در صورتی که اعتقاد داشتند قیمت مورد نظر 10 دلار به ازای هر کیلوآمپرمتر برای استفاده صنعت جهانی باشد. شرکت سومیتومو(SEI)[3] قیمت20 دلار به ازای هر کیلوآمپرمتر را آنسوی 2011 پیش بینی کرده‌اند(براساس اخبار عمومی آنها که در سال2006 منتشر شده بود).

---

[1] Oxide-Powder-in-tube

[2] First-Generation

[3] Sumitomo Electric Industries

ابررسانای BSCCO-2212

BSCCO-2212        دارای دمای بحرانی در حدود 90 کلوین و به دلیل خاصیت میدان مغناطیسی بزرگ آن در رنج دمایی بین 4.2 و 20 کلوین مورد توجه است. این ماده دارای ظرفیت هدایت جریان بسیار کوچک در یک میدان مغناطیسی در دمای 77 کلوین است. آن اولین ماده HTS بود که برای ساخت سیمهای ابررسانا استفاده شد و بسیار پرکاربرد است. BSCCO-2212 در فرم، سیم با مقطع دایره‌ای، نوار مسطح، میله ریختگری شده[1] و بلوک‌ها و در اشکال و ابعاد مختلف دیگری می‌تواند ساخته شود. قابلیت آن در ذوب شدن و تبلور مجدد، انعطاف پذیری هندسی رسانا  موجب می‌شود. جریان بحرانی در سیم‌های با مقطع گرد ناهمسانگردی نسب به یک میدان بکاربرده شده نشان نمی‌دهد. چندین روش موفق از بدست آوردن چگالی جریان بالا رساناها اثبات کرده است: وجود پودر در تیوب[2]، پوشش به صورت غوطه‌ور کردن[3]، نوار ریخته‌گری شده[4]، پوشش الکترفوریتک[5] و پوشش اسپری[6]. ابررساناهایی از این مواد در اندازه‌های طویل در سیم‌هایی با ویژگی‌های یکنواخت و غیرقابل شکست ساخته شده‌اند. این تنوع BSCCO-2212 به طور عمده پتانسیلی برای کاربرد وسیع مهندسی که دمای عملکرد آن کمتر از 20 کلوین است ایجاد می‌کند. نوارهای چند رشته در کاربردهای مگنت‌های میدان بالا و کابل‌های رادفورد[7] برای  مگنت‌های شتاب دهنده و دیگر مگنت‌های ابررسانایی جریان زیاد ساخته شده‌اند. این سیم به عنوان جانشین مستقیم برای سیم‌هایLTS در کابل‌های نوع رادرفورد در مگنت‌های شتاب دهنده می‌تواند استفاده شود.به طور خلاصه، عملکرد BSCCO-2212 در دمای زیر 20 کلوین بسیار خوب است، اما در دماهای بیشتر از 20 کلوین عملکردش محدود می‌شود. با ورود سیم‌هایBSCCO-2223 این ماده به کنار رفت.

---

[1] Cast bulk rod

[2] Powder-in-tube

[3] Dip-Coating

[4] Tape casting

[5] Electrophoretic coating

[6] Spray coating

[7] Rutherford

پرکاربردترین ابررساناهای دما بالا( HTS) و دما پایین(LTS)

دو نمونه صنعتی ابررساناهای دما پایین، Nb-Ti و Nb3Sn هستند. اگرچه دمای بحرانی آنها به ترتیب9 و18 کلوین هستند، که برای بیشتر کاربردهایشان باید در دمای زیر 5 کلوین کار کنند، که این اغلب نیازمند سرماسازهای گران قیمت است که از نظر اقتصادی به صرفه نیست. اما، مواد ابررسانای دما بالا سرامیکی جدید نیازمند خنک سازی کمتری هستند و می‌توانند در دماهای بیشتر از 77 کلوین برای کاربردهای  با میدان کوچک و 30 تا 40 کلوین برای کاربردهایی با میدان مغناطیسی بزرگ که دمای تعادل نیتروژن مایع در فشار اتمسفر است کار کنند.

تمامی ابررساناها باید در محدوده‌ی  مشخصی از سه پارامپر بحرانی وابسته بهم، چگالی جریان و دمای کار و میدان مغناطیسی همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است کار کنند. به ماکزیمم دمایی که مواد ابررسانا در آن خاصیت مقاومت صفر را دارد دمای بحرانی گویند(Tc). حد بالایی در ظرفیت هدایت جریانش را چگالی جریان بحرانی می‌نامند(Jc) و میدان مغناطیسی بحرانی(Hc)ماکزیمم میدانی است که ابررسانایی در آن برقرار است. در صورتی که یکی از شرایط بالا برقرار نباشد ابررسانا به حالت نرمال باز می‌گردد(مقاومتی). بعد از کشف آنها در 1986، مواد HTS شروع به کاربردهایی در نمونه نخستین موتورها و ژنراتورها، خطوط انتقال کابلی فشار قوی، ترانسفورماتورها، محدودکننده‌های خطا و قطار‌های مغاطیسی داشتن. پرکاربردترین ابررساناهای HTS عبارتند از:BSCCO-2212 ، BSCCO-2223 ، YBCO-123 و MgB₂ اینها توسط تکنیک‌های مختلفی ساخته می‌شوند. که در ادامه توضیحاتی راجع به هریک آورده شده است.

قطارهای شناور مغناطیسی (MAGLEV) (مگلو)

بر اثر پدیده مایسنر، ابررسانا میدان مغناطیسی را عبور نمی‌دهد و یک عنصر مغناطیسی می تواند روی ابررسانا معلق بماند. از این خاصیت در ساخت قطارهای شناور مغناطیسی موسوم به MAGLEV استفاده شده است. کویل ابررسانا در داخل قطار قرار می‌گیرد و ریلهای دو طرف قطار به تناوب مغناطیسی و دارای قطبهای مخالف می‌باشند. قطار با توجه به خاصیت شناوری، بدون هرگونه اصطکاک و برخورد با ریل، در اثر تقابل قطبهای آهنربایی با سرعت زیادی به حرکت در می‌آید. اولین قطار مغناطیسی در سوم آوریل١٩٩٧ در ژاپن با نام قطار یامایاشی راه‌اندازی شد. این قطار سرعت قابل توجه٥١٠ کیلومتر در ساعت را داشت و به جای استفاده از چرخ در آن از میدان مغناطیسی استفاده شده بود. قطار سریع‌السیر دیگری که ژاپنی‌ها در سال ٢٠٠٠ میلادی ساختند با سرعت ٥٨١ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کرد. در چین نیز قطار MAGLEV در سال ٢٠٠٠ به بهره برداری رسید. در آمریکا پروژه‌هایی برای ساخت قطار مغناطیسی در مناطقی مانند آتلانتا، فلوریدا و ویرجینیا طراحی شده است.

 در ایران