التطبيقات التكنولوجية للموصلية الفائقة

يُعدّ توليد المجالات المغناطيسية الكبيرة والمستقرة وعالية الكثافة، اللازمة للتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، التطبيقَ الأبرزَ للموصلية الفائقة. ويمثل هذا سوقًا بمليارات الدولارات الأمريكية لشركات مثل أوكسفورد إنسترومنتس وسيمنز . وتستخدم هذه المغناطيسات عادةً موصلات فائقة منخفضة الحرارة (LTS) لأن الموصلات الفائقة عالية الحرارة ليست رخيصة بما يكفي لتوفير المجالات العالية والمستقرة والكبيرة المطلوبة بكفاءة من حيث التكلفة، على الرغم من الحاجة إلى تبريد أجهزة LTS إلى درجات حرارة الهيليوم السائل . كما تُستخدم الموصلات الفائقة في المغناطيسات العلمية ذات المجالات المغناطيسية العالية.

اعتبارًا من عام 2023، توجد بعض أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي الخالية من المبردات التي تعمل ضمن نطاق درجة حرارة آمن لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ذات درجة الحرارة المنخفضة. فبدلاً من استخدام مبردات، مثل الهيليوم السائل أو النيتروجين، التي تتطلب إعادة تعبئة مستمرة، يعتمد هذا التصميم على مبرد GM، وهو نظام مغلق يحتوي على غاز الهيليوم. ومن خلال مزيج من تقنيات العزل وسلسلة من مراحل التبريد، يحافظ مبرد GM على درجة حرارة منخفضة كافية للمغناطيس دون الحاجة إلى تكلفة إضافية لإعادة تعبئة المبردات التقليدية. يستخدم تصميم هذا المغناطيس ملفات فائقة التوصيل لتوليد مجال كهرومغناطيسي، والذي يمكن استخدامه لالتقاط صور لجسم الإنسان. ومع ذلك، وعلى عكس أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدية، لا يستطيع هذا التصميم الاستمرار في العمل لفترة طويلة مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدية التي تعتمد على المبردات في حالة انقطاع التيار الكهربائي. ^{[ 1 ]}

بسبب مقاومتها الكهربائية المنخفضة، تُعدّ الموصلات الفائقة أكثر كفاءة في توليد المجالات الكهرومغناطيسية من الموصلات التقليدية، مما يجعلها خيارًا اقتصاديًا للاستخدام في أبحاث الفيزياء. في أولى مسرعات الجسيمات فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة المنخفضة (LTS)، كان مركب النيوبيوم-التيتانيوم (Nb-Ti) هو الموصل الفائق المفضل نظرًا لمرونته وقدرته على نقل كمية كبيرة من التيار الكهربائي. مع ذلك، تُخطط أبحاث مستقبلية لدراسة إمكانية استبدال النيوبيوم-التيتانيوم بمركب النيوبيوم-القصدير، القادر على نقل تيار أكبر ولكنه أكثر هشاشة. من خلال التغلب على تحدي تصميم الملفات من مادة هشة مثل النيوبيوم-التيتانيوم، قد يتمكن الباحثون من تطوير مسرع جسيمات فائق التوصيل أكثر كفاءة. ^{[ 2 ]}

يمكن أن تتضمن مسرعات الجسيمات، مثل مصادم الهادرونات الكبير، العديد من المغناطيسات الكهربائية ذات المجال العالي، مما يتطلب كميات كبيرة من مادة النيوبيوم-التيتانيوم. وقد استلزم بناء مغناطيسات مصادم الهادرونات الكبير أكثر من 28% من إنتاج العالم من أسلاك النيوبيوم-التيتانيوم لمدة خمس سنوات، كما استُخدمت كميات كبيرة من النيوبيوم-التيتانيوم في مغناطيسات أجهزة الكشف التجريبية الضخمة في مصادم الهادرونات الكبير. ^{[ 3 ]}

خلال عمليات الاندماج النووي، يمكن استخدام المغناطيسات الكهربائية لاحتواء البلازما. وتنتج المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل مجالات مغناطيسية أقوى من خلال مدخلات طاقة أقل من نظيراتها التقليدية، ولكنها تتطلب أيضًا تكاليف أولية أعلى. ^{[ 2 ]}

تستخدم أجهزة الاندماج النووي التقليدية (JET، وST-40، وNTSX-U، وMAST) كتلًا من النحاس، مما يحد من شدة مجالها المغناطيسي إلى 1-3 تسلا. ومن المخطط تطوير عدة أجهزة اندماج نووي فائقة التوصيل خلال الفترة 2024-2026، تشمل ITER و ARC والجيل القادم من ST-40 . ومن المتوقع أن يؤدي استخدام الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية إلى تحسين شدة المجال المغناطيسي بمقدار عشرة أضعاف (10-13 تسلا) لجيل جديد من أجهزة توكاماك. ^{[ 4 ]}

يُستخدم تصميم الكابل داخل الأنبوب (CIC) للموصلات الفائقة بشكل شائع أيضًا في الحصر الكهرومغناطيسي. يتميز موصل CIC بقدرته على تحمل قوى كبيرة، وكفاءته في نقل التيار الكهربائي، وكونه عازلًا جيدًا، مما يجعله مناسبًا تمامًا للاستخدام في عمليات الاندماج النووي. ^{[ 2 ]}

يمكن استخدام الأسلاك فائقة التوصيل والمجالات الكهرومغناطيسية المتولدة من الملفات فائقة التوصيل في بعض المولدات. وتتميز النسخ فائقة التوصيل من هذه العناصر بكفاءة أعلى من نظيراتها، مما يسمح بتوليد كمية أكبر من الكهرباء من مولد أصغر حجمًا وأخف وزنًا. تُصنع الملفات فائقة التوصيل في هذه المولدات عادةً من النيوبيوم والتيتانيوم (NbTi) وتُستخدم لتوليد المجال الكهرومغناطيسي. ولأن النيوبيوم والتيتانيوم مادة فائقة التوصيل ذات درجة حرارة منخفضة، يُستخدم الهيليوم السائل عادةً كمبرد للحفاظ على درجة حرارة المولد منخفضة بما يكفي. وقد طُبّق هذا النوع من المولدات فائقة التوصيل لتشغيل توربينات الرياح البحرية، نظرًا لأن تصميمه يُحسّن إنتاج الطاقة من مولد صغير الحجم وخفيف الوزن نسبيًا. ^{[ 5 ]}

في عملية تنقية الفحم، تُستخدم المغناطيسات الكهربائية لإزالة المواد المغناطيسية الحديدية، وخاصة الحديد، من الفحم. تتميز الموصلات الفائقة بكفاءة طاقة أعلى من الموصلات التقليدية، لذا تُستخدم في صناعة ملفات فائقة التوصيل تولد مجالًا كهرومغناطيسيًا. تتطلب هذه الملفات تبريدًا فائقًا باستخدام الهيليوم السائل لضمان التشغيل الآمن. تتطلب هذه المغناطيسات فائقة التوصيل طاقة أقل وتشغل حجمًا أصغر من المغناطيس التقليدي. ^{[ 6 ]}

تُستخدم الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية في المغناطيسات العلمية والصناعية، بما في ذلك استخدامها في أنظمة الرنين المغناطيسي النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي. وتتوفر الآن أنظمة تجارية في كل فئة. ^{[ 8 ]}

ومن السمات الجوهرية الأخرى لـ HTS أنها تستطيع تحمل مجالات مغناطيسية أعلى بكثير من LTS، لذلك يتم استكشاف HTS عند درجات حرارة الهيليوم السائل لإدخالها في مجالات عالية جدًا داخل مغناطيسات LTS.

تشمل التطبيقات الصناعية والتجارية الواعدة المستقبلية للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية سخانات الحث ، والمحولات ، ومحددات تيار الأعطال ، وتخزين الطاقة ، والمحركات والمولدات ، ومفاعلات الاندماج (انظر ITER ) وأجهزة الرفع المغناطيسي .

ستكون التطبيقات المبكرة تلك التي تفوق فيها مزايا صغر الحجم، وخفة الوزن، أو القدرة على التبديل السريع للتيار (محددات تيار الأعطال) التكلفة الإضافية. وعلى المدى البعيد، ومع انخفاض أسعار الموصلات، يُتوقع أن تصبح أنظمة الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (HTS) قادرة على المنافسة في نطاق أوسع بكثير من التطبيقات، وذلك بفضل كفاءتها في استهلاك الطاقة وحدها. (للاطلاع على نظرة فنية نسبياً، تركز على الولايات المتحدة، حول الوضع الراهن لتكنولوجيا الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية في أنظمة الطاقة، وحالة تطوير موصلات الجيل الثاني، يُرجى مراجعة التقرير السنوي لوزارة الطاقة الأمريكية لعام 2008 بعنوان "الموصلية الفائقة للأنظمة الكهربائية ").

يُعدّ ثنائي بوريد المغنيسيوم موصلاً فائقاً أرخص بكثير من كلٍّ من BSCCO و YBCO من حيث تكلفة سعة نقل التيار لكل وحدة طول (التكلفة/(كيلو أمبير*متر))، وهو في نفس نطاق الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة المنخفضة (LTS)، وبناءً على ذلك، فإن العديد من الأسلاك المصنّعة أرخص بالفعل من النحاس. علاوة على ذلك، يُظهر MgB₂ _خاصية التوصيل الفائق عند درجات حرارة أعلى من LTS (تبلغ درجة حرارته الحرجة 39  كلفن، مقارنةً بأقل من 10  كلفن لـ NbTi و18.3  كلفن لـ Nb₃Sn ₎ ، مما يتيح إمكانية استخدامه عند 10-20  كلفن في المغناطيسات الخالية من المبردات، أو ربما في الهيدروجين السائل مستقبلاً. مع ذلك، فإن MgB₂ _محدود في المجال المغناطيسي الذي يمكنه تحمّله عند هذه الدرجات الحرارة المرتفعة، لذا يلزم إجراء المزيد من الأبحاث لإثبات قدرته التنافسية في تطبيقات المجالات المغناطيسية العالية.

يمكن حصر المجال المغناطيسي في المواد فائقة التوصيل لاستخدامه في آلات مثل المولدات، وذلك بتعريضها لمجال مغناطيسي قصير. وفي بعض التطبيقات، يمكن أن تحل هذه المواد محل المغناطيس الدائم التقليدي. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

بسبب مقاومتها الكهربائية المنخفضة، تُعدّ الكابلات فائقة التوصيل أكثر كفاءة في نقل الكهرباء من الكابلات التقليدية. ورغم أن كابلات HTS وLTS أغلى ثمناً في البداية من نظيراتها التقليدية، إلا أن التوفير الناتج عن انخفاض فقد التيار يجعل الأسعار متقاربة على المدى الطويل. مع ذلك، لا تزال تكاليف التأسيس المرتفعة هذه تُشكّل تحدياً للمدن التي تُفكّر في التحوّل إلى استخدام الكابلات فائقة التوصيل في شبكة الكهرباء. ^{[ 12 ]}

تحدث تيارات الأعطال عندما يتسبب عطل ما في شبكة الطاقة الكهربائية في تدفق تيار كبير بشكل غير معتاد، وربما يكون ضارًا، عبر الشبكة. يجب أن يكون محدد تيار العطل المثالي قادرًا على الاستجابة لتيار العطل من خلال الانتقال السريع إلى حالة مقاومة منخفضة وامتصاص التيار الزائد الناتج عن العطل. يتطلب محدد تيار العطل آلية ما لاكتشاف العطل لتفعيله، ثم طريقة ما للعودة إلى الحالة الطبيعية بعد احتواء تيار العطل. نظرًا لانخفاض المقاومة الكهربائية للمواد فائقة التوصيل، فهي مناسبة تمامًا للاستخدام في تصميم محدد تيار العطل المحتمل. لا تزال تصاميم محددات تيار العطل فائقة التوصيل قيد التطوير، ولكنها تحمل في طياتها إمكانية توفير أمان أكبر لشبكة الكهرباء في حال تطبيقها على نطاق واسع. ^{[ 12 ]}

مرة أخرى، يستغل هذا المفهوم المقاومة المنخفضة للموصلات الفائقة كطريقة لتخزين الكهرباء. يتميز نظام تخزين الطاقة المغناطيسية الفائقة (SMES) بقدرته على تفريغ الطاقة المخزنة فيه بشكل متكرر، ثم استعادتها وتخزينها مجددًا. في تصميم نظام SMES، يُولّد ملف فائق التوصيل مجالًا كهرومغناطيسيًا، مما يُخزّن الكهرباء بكفاءة عالية، ويمكن تفريغها دون أي فقد يُذكر للتيار بسبب المقاومة. تستخدم أنظمة SMES عادةً موصلات فائقة التوصيل منخفضة الحرارة (LTS)، مما يعني أنها تتطلب نظام تبريد. تتميز موصلات LTS، المصنوعة عادةً من سبائك النيوبيوم والتيتانيوم، بقدرتها على العمل في مجال مغناطيسي أعلى من موصلات HTS، مما يجعلها أكثر فعالية لأنظمة SMES. ^{[ 12 ]}

كان مشروع هولبروك للموصلات الفائقة ، المعروف أيضًا باسم مشروع LIPA، مشروعًا لتصميم وبناء أول كابل نقل طاقة فائق التوصيل في العالم. تم تشغيل الكابل في أواخر يونيو 2008 من قبل هيئة لونغ آيلاند للطاقة (LIPA) وظل قيد التشغيل لمدة عامين. يتم تغذية محطة لونغ آيلاند الفرعية للكهرباء في الضواحي بنظام كابلات تحت الأرض بطول 600 متر (2000 قدم) يتكون من حوالي 159 كيلومترًا (99 ميلًا) من أسلاك موصلة فائقة عالية الحرارة مصنعة من قبل شركة American Superconductor ومبردة إلى -223.9 درجة مئوية ( 49.3 كلفن) باستخدام النيتروجين السائل ، مما يقلل بشكل كبير من التكلفة المطلوبة لتوصيل طاقة إضافية. ^{[ 13 ]} بالإضافة إلى ذلك، تجاوز تركيب الكابل اللوائح الصارمة لخطوط الطاقة العلوية، وقدم حلاً لمخاوف الجمهور بشأن خطوط الطاقة العلوية. ^{[ 14 ]}     

طُرح مشروع تريس أميغاس في عام 2009 كخط ربط كهربائي عالي الجهد للتيار المستمر بين شبكة الربط الشرقية ، وشبكة الربط الغربية ، وشبكة الربط في تكساس . ^{[ 15 ]} وكان من المُقترح أن يكون مسارًا مثلثيًا متعدد الأميال من كابلات كهربائية فائقة التوصيل، قادرًا على نقل خمسة جيجاوات من الطاقة بين شبكات الكهرباء الأمريكية الثلاث. توقف المشروع في عام 2015 عندما انسحبت شبكة الربط الشرقية منه. ولم يبدأ البناء أبدًا. ^{[ 16 ]}

تضم مدينة إيسن الألمانية أطول كابل طاقة فائق التوصيل قيد الإنتاج في العالم، بطول كيلومتر واحد. وهو كابل مبرد بالنيتروجين السائل بجهد 10 كيلوفولت. يتميز هذا الكابل بصغر حجمه مقارنةً بكابل عادي مكافئ بجهد 110 كيلوفولت، كما أن انخفاض الجهد يتيح استخدام محولات أصغر حجماً. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

في عام 2020، أعلن مصنع للألمنيوم في مدينة فورده الألمانية عن خطط لاستخدام الموصلات الفائقة في الكابلات التي تحمل تيارًا يصل إلى 200 كيلو أمبير، مشيرًا إلى انخفاض حجم الإنتاج ومتطلبات المواد كمزايا. ^{[ 19 ] [ 20 ]}