新的研究表明，大規模、經濟高效地實施高溫超導線材的方法越來越可行。我們能源系統的未來可能由高溫超導（HTS）導線塑造。這些先進的材料能夠在比傳統超導體更高的溫度下無阻力地傳輸電力，具有改變電網和實現商業核融合的潛力。

脈衝雷射沉積法是用雷射光束燒蝕一種材料，然後在基底上沉積成薄膜，這種方法被用來製造H​​TS 金屬絲。資料來源：布法羅大學

然而，要實現這些大規模應用，就必須製造出性價比與當地五金行出售的普通銅線相當的HTS 線纜。

由布法羅大學領導的新研究正在推動我們朝著這個目標靠近。在發表於《自然-通訊》（Nature Communications）的一項研究中，研究人員報告說，他們已經製造出世界上性能最高的HTS 線材，同時使性價比指標大大提高。

他們的導線以稀土氧化鋇銅（REBCO）為基礎，在5 開爾文到77 開爾文的所有磁場和溫度條件下，達到了迄今為止所報告的最高臨界電流密度和釘住力（分別指承載的電流強度和釘住磁渦旋的能力）。

這個溫度範圍仍然非常寒冷–華氏零下451度到華氏零下321度–但高於傳統超導體工作時的絕對零度。

該研究的通訊作者、紐約州立大學工程與應用科學學院化學與生物工程系特聘教授、紐約州立大學帝國創新教授阿米特-戈亞爾（Amit Goyal）博士說：「這些結果將有助於指導業界進一步優化沉積和製造條件，從而大幅提高商用塗層導體的性價比，要想充分實現超導體的眾多大規模應用，就必須使性價比指標更加有利”。

HTS 線材的應用包括：能源生產，如將海上風力發電機的發電量提高一倍；電網級超導磁能儲存系統；能源傳輸，如在大電流直流和交流輸電線路中無損耗傳輸電力；以及以高效率超導變壓器、馬達和電網故障電流限制器的形式提高能源效率。

光是HTS 線材的一個利基應用–商業核融合，就具有產生無限清潔能源的潛力。僅在過去幾年中，全球就成立了約20 家私人公司來開發商業核融合，僅為開發這種應用的HTS 線材就投入了數十億美元。

HTS 線材的其他應用包括用於醫學的下一代MRI、用於藥物發現的下一代核磁共振(NMR)，以及用於眾多物理應用的高場磁鐵。此外，還有許多國防應用，如開發全電動船舶和全電動飛機。目前，全球大多數製造千米長高性能HTS 導線的公司都在使用Goyal 及其團隊之前開發的一種或多種平台技術創新。

這些技術包括滾動輔助雙軸紋理基板(RABiTS) 技術、LMOe 支援的離子束輔助沉積(IBAD) 氧化鎂技術，以及透過同步相分離和應變驅動自組裝技術實現奈米級間距的奈米柱狀缺陷。

在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌報導的這項工作中，Goyal 小組報告了基於REBCO 的超高性能超導線材。

在4.2 開爾文的條件下，HTS 導線在沒有任何外部磁場（也稱為自場）的情況下每平方厘米可傳輸1.9 億安培的電流，而在7 特斯拉的磁場條件下每平方厘米可傳輸9000 萬安培的電流。

在20 開爾文（商業核融合的設想應用溫度）的較高溫度下，導線仍可在每平方厘米自場中傳輸超過1.5 億安培的電流，在7 特斯拉下每平方厘米傳輸超過6 千萬安培的電流。

就臨界電流而言，這相當於在4.2 開爾文條件下，4 毫米寬的線段在自場條件下具有1500 安培的超級電流，在7 特斯拉條件下具有700 安培的超級電流。在20 開爾文時，自場電流為1,200 安培，7 特斯拉時為500 安培。

值得注意的是，該團隊的HTS 薄膜雖然只有0.2 微米厚，但其電流強度卻可與HTS 薄膜厚近10 倍的商用超導線媲美。

這些導線顯示出強烈的釘住或固定磁渦旋的能力，在4.2 開爾文和20 開爾文的7 特斯拉磁場下，釘住力分別為每立方米約6.4 太牛頓和每立方米約4.2 太牛頓。這是迄今為止所報告的在5 開爾文到77 開爾文的所有磁場和工作溫度下臨界電流密度和引力的最高值。

這些結果表明，經過優化的商用HTS 導線仍有可能大幅提高效能，從而降低相關成本。

HTS 線段是利用(IBAD) 氧化鎂技術在基底上製造的，並透過同步相分離和應變驅動自組裝技術利用奈米柱缺陷製造的。自組裝技術允許在超導體體內以奈米級的間距加入絕緣或非超導奈米柱。這些奈米缺陷可以抑制超導渦流，從而產生更大的超電流。

Goyal說：”稀土摻雜、氧點缺陷和絕緣鋯酸鋇奈米柱及其形態所產生的釘扎效應相結合，使得高臨界電流密度成為可能。”

他所領導的UB 功能材料和裝置異向共軸生長實驗室的博士後Rohit Kumar 補充說：”HTS 薄膜是利用先進的脈衝雷射沉積系統，透過仔細控制沉積參數製成的。”

在脈衝雷射沉積過程中，雷射光束撞擊目標材料並燒蝕材料，然後在適當放置的基底上沉積成膜。

“我們還利用麥克馬斯特大學加拿大電子顯微鏡中心最先進的顯微鏡進行了原子分辨率顯微鏡分析，以確定奈米柱狀和原子尺度缺陷的特徵，並在意大利薩萊諾大學進行了一些超導特性測量，”Goyal 說。

編譯自/ ScitechDaily