High Efficiency in Large Supercurrent Rectification with Superconducting Coil

In de wereld van elektriciteit worden materialen die stroom geleiden zonder enige weerstand supergeleiders genoemd. Deze substanties zijn buitengewoon omdat ze energie laten stromen zonder warmte te verliezen, een eigenschap die hen ideaal maakt voor krachtige magneten en efficiënte elektriciteitsnetten. Er bestaat echter een fundamentele natuurkundige regel die lang heeft bepaald dat deze stroom perfect symmetrisch is: als je een superstroom in één richting door een draad kunt duwen, kun je exact dezelfde hoeveelheid in de tegenovergestelde richting door die draad duwen. Deze symmetrie betekent dat supergeleiders niet kunnen fungeren als diodes, de eenrichtingskleppen die essentieel zijn voor het regelen van elektriciteit in bijna elk modern elektronisch apparaat. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar manieren om deze symmetrie te doorbreken, in de hoop een "supergeleidende diode" te creëren die stroom gemakkelijk in de ene richting laat stromen, maar in de andere richting blokkeert. De uitdaging was dat hoewel onderzoekers erin zijn geslaagd deze eenrichtingseffecten in minuscule, microscopische monsters te creëren, zij moeite hadden om dit te doen met de enorme hoeveelheden stroom die nodig zijn voor real-world toepassingen in de energievoorziening.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om deze eenrichtingsstroom te bereiken met behulp van een eenvoudige spoel van draad, waarbij ze er succesvol in slaagden om stromen te verwerken die groot genoeg zijn om belangrijke machines van stroom te voorzien. Door een speciale metaallegering in een spiraalvorm te winden en deze in een magnetisch veld te plaatsen, creëerde het team een apparaat waarbij de richting van de stroom bepaalt of het materiaal supergeleidend blijft of overgaat naar een normale, resistente staat. In hun experimenten ontdekten ze dat het apparaat een enorme stroomstoot in de ene richting doorliet, terwijl het een veel kleinere hoeveelheid in de tegenovergestelde richting blokkeerde. Deze doorbraak suggereert dat supergeleidende diodes niet slechts een laboratoriumcuriositeit voor minuscule circuits zijn, maar opgeschaald kunnen worden om de zware stromen te beheren die vereist zijn voor toekomstige energiesystemen.

De onderzoekers begonnen met een recht eenvoudig idee: gebruik het magnetische veld dat door de stroom zelf wordt gegenereerd om de stroom te regelen. Wanneer elektriciteit door een spoel beweegt, creëert het een magnetisch veld binnen die spoel, net als een solenoïde. Het team realiseerde zich dat als zij een extern magnetisch veld parallel aan de spoel zouden toepassen, de totale magnetische omgeving binnen de draad zou veranderen afhankelijk van de richting waarin de stroom stroomde. Als de stroom in de ene richting stroomde, zou het eigen magnetische veld van de stroom bij het externe veld optellen, waardoor de totale magnetische druk hoger werd. Als de stroom de andere kant op stroomde, zou het interne veld het externe veld verminderen, waardoor de druk lager werd. Aangezien supergeleiders een limiet hebben aan hoeveel magnetische druk ze kunnen weerstaan voordat ze ophouden supergeleidend te zijn, creëert deze opstelling een situatie waarin het materiaal een enorme stroom in de ene richting kan verwerken, maar in de andere richting al bij een veel lagere stroom faalt.

Om dit concept te testen, bouwde het team een apparaat met een draad gemaakt van een soldeerlegering van tin en lood. Ze wonden deze draad tot een spoel en verbonden deze met koperen leidingen om de stroom te geleiden. Het experiment vond plaats in een cryostaat, een apparaat dat het monster op een ijzige temperatuur van 4,2 Kelvin houdt, wat slechts enkele graden boven het absolute nulpunt is. Toen zij een magnetisch veld van 500 Oersted toepasten, observeerden zij een dramatisch verschil in gedrag. In de voorwaartse richting transporteerde de spoel een stroom van 125 tot 140 Ampère voordat deze overging naar een normale staat. In de omgekeerde richting moest de stroom veel kleiner zijn om dezelfde overgang te veroorzaken. Dit resulteerde in een gelijkrichtingsefficiëntie van 79 tot 84 procent, wat betekent dat het apparaat de stroom in de voorkeursrichting doorliet met zeer weinig lek in de geblokkeerde richting. Deze cijfers vertegenwoordigen een significante sprong voorwaarts, aangezien eerdere pogingen om grote-stroom supergeleidende diodes te creëren slechts efficiënties rond de 15 procent behaalden.

De onderzoekers merkten ook op dat het ontwerp robuust en schaalbaar was. Ze testten twee spoelen met tegengestelde windingen, één rechtsdraaiend en één linksdraaiend, en vonden dat beide even goed presteerden. Dit geeft aan dat het effect berust op de fysica van de magnetische velden en niet op de specifieke draaiing van de draad. Om de nauwkeurigheid van de resultaten te waarborgen, gebruikten zij simulaties om de magnetische velden binnen de spoel te modelleren, waarmee werd bevestigd dat het gedrag overeenkwam met hun theoretische verwachtingen. De simulaties toonden aan dat de cruciale factor het magnetische veld aan de binnenrand van de draad was, waar de druk het hoogst was. Door zuivere koperen leidingen te gebruiken die hoge stromen kunnen verwerken zonder op te warmen, waren zij in staat het externe magnetische veld hoger te maken dan in eerdere proeven, waardoor de spoel zijn volledige potentieel kon demonstreren zonder dat de leidingen eerst zouden falen.

Hoewel de resultaten indrukwekkend zijn, merkt het team er voorzichtig bij op dat er nog ruimte is voor verbetering. De efficiëntie bereikte niet de perfecte 100 procent waar zij op hoopten, en de stroom in de voorwaartse richting nam niet zo sterk toe als de eenvoudigste theorie voorspelde wanneer het magnetische veld zeer sterk werd. Dit suggereert dat kleine imperfecties in de draad of de uitlijning van het magnetische veld de prestaties mogelijk beperken. Echter, het kernconcept is bewezen te werken op grote schaal. Het vermogen om stromen van meer dan 100 Ampère met een hoge efficiëntie te verwerken, opent de deur naar praktische toepassingen. Dergelijke apparaten zouden gebruikt kunnen worden om contactloze pompen te creëren voor het opladen van supergeleidende magneten, die essentieel zijn voor technologieën zoals magnetische koeling en supergeleidende draaiende machines. Als vergelijkbare ontwerpen kunnen worden aangepast om te werken bij hogere temperaturen, zoals met vloeibare stikstof, zouden ze een vitale component kunnen worden in een toekomstig supergeleidend elektriciteitsnet, wat helpt om energie met ongekende efficiëntie te transporteren.