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La nanotechnologie à l'assaut des supraconducteurs

Des chercheurs financés par l'UE sont parvenus à augmenter de manière substantielle le courant conduit par les films supraconducteurs à haute température, tout en obtenant les longueurs requises pour les applications commerciales. Ces résultats peuvent faire évoluer la production et la transmission de l'énergie, en apportant par exemple des réseaux électriques ou des moteurs et générateurs sans perte, et permettent de produire des aimants extrêmement puissants.
La nanotechnologie à l'assaut des supraconducteurs
Découverte en 1911, la supraconductivité est la propriété de certains matériaux à conduire l'électricité avec des pertes de puissance très faibles en dessous d'une certaine température. Contrairement aux conducteurs courants tels que le cuivre, qui entraînent une perte d'énergie sous forme de chaleur qui augmente avec la distance parcourue par la charge, les matériaux supraconducteurs peuvent transporter d'immenses quantités d'électricité sans générer de friction ou de perte de chaleur et constituent donc une solution réelle de transport efficace de l'énergie.

Toutefois, du fait qu'ils fonctionnent à très basse température et exigent pour cela d'utiliser de l'hélium, un gaz coûteux, les supraconducteurs actuellement commercialisés sont jusqu'à présent principalement utilisés pour fabriquer des aimants puissants. De nouveaux supraconducteurs capables de fonctionner à des températures supérieures peuvent éviter d'avoir à procéder à un refroidissement complexe et coûteux, ou fonctionnent aussi avec de l'hélium liquide et produisent des champs magnétiques extrêmement élevés. Malheureusement, ils sont trop fragiles pour les procédés habituels de fabrication de fils.

Dans le cadre du projet EUROTAPES (European development of superconducting tapes: Integrating novel materials and architectures into cost effective processes for power applications and magnets), financé par l'UE, des chercheurs ont présenté des méthodes innovantes permettant de créer des couches minces de supraconducteur à une température de transition de supraconduction pouvant atteindre 92 K (– 181 °C) et capables de transporter le courant efficacement.

L'équipe du projet a inséré des nanoparticules d'à peine 4 nm dans la matrice des couches minces YBa2Cu3O7 (YBCO) épitaxiales produites en combinant différentes méthodes de dépôt telles que le dépôt à laser pulsé et le dépôt chimique en solution (impression jet d'encre) afin de combiner les atouts des deux techniques. Ces particules minuscules ont permis d'augmenter considérablement le courant maximum que les supraconducteurs peuvent transporter sans perte, même en cas d'exposition à des champs magnétiques extrêmement élevés.

Les activités du projet ciblaient trois applications différentes exigeant de tester les conducteurs à des plages de températures et champs magnétiques variables afin d'optimiser les performances, une des principales difficultés. Les chercheurs ont en particulier développé: des fils supraconducteurs nanocomposites, tout en démontrant de bonnes performances en cas d'exposition à des champs magnétiques ultra-élevés (plus de 20 T) à basses températures (4 K) en utilisant de l'hélium liquide pour le refroidissement; des moteurs et générateurs dans des champs magnétiques élevés (3 à 5 T) réfrigérés à une température comprise entre 30 et 50 K à l'aide de cryofrigérateurs; et des câbles et des limiteurs de courant de défaut dans des champs magnétiques faibles (moins d'1 T) à des températures relativement plus élevées (entre 65 et 77 K) en utilisant de l'azote liquide.

En dépit de son coût élevé, l'hélium liquide est le réfrigérant le plus souvent utilisé pour la plupart des supraconducteurs utilisés en tant qu'aimants. Les nouveaux fils supraconducteurs ont présenté des performances élevées sous des champs magnétiques extrêmement puissants et peuvent par conséquent servir à fabriquer une nouvelle génération d'aimants puissants.

De nouvelles méthodes économiques

Bien que les supraconducteurs hautes performances puissent révolutionner nos systèmes de production énergétique, le principal obstacle à leur utilisation est leur coût de production. Le projet EUROTAPES a fourni une unité de production de fil supraconducteur de 600 m, diminuant encore ainsi le rapport €/kA en apportant des méthodes et matériaux inédits pour leur fabrication.

Outre le dépôt à laser pulsé, les chercheurs ont également expérimenté une technique de dépôt chimique en solution permettant de traiter plus facilement les couches minces YBCO. La méthode de production de fil consistait à suspendre des nanoparticules pour former des encres de solution colloïdale puis à les imprimer sur un substrat métallique. Un aspect clé de la technique impliquait de contrôler la structure et la stabilité des encres colloïdales créées. «EUROTAPES est parvenu à conserver la structure cristalline unique du fil multicouche sur plusieurs centaines de mètres», a déclaré Xavier Obradors, coordinateur du projet.

«Pour augmenter encore la quantité de courant transportée par le fil, on a intégré aux conducteurs épitaxiaux des matériaux nanométriques non supraconducteurs en complément à des matériaux supraconducteurs chargés de modifier la structure de la couche», a ajouté M. Obradors.

Les matériaux nanocomposites, et particulièrement les couches minces et revêtements, peuvent avoir de très nombreuses applications dans le secteur industriel et plusieurs méthodologies développées dans le cadre d'EUROTAPES peuvent être transférées facilement à d'autres domaines. Parmi les applications courantes qui nécessitent d'utiliser des nanorevêtements sur des longueurs ou des surfaces importantes figurent notamment les cellules solaires, les fenêtres électrochromes, les piles à combustibles et les batteries.

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Mots-clés

Supraconducteur à haute température, réseaux électriques, moteurs, EUROTAPES, fils supraconducteurs