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Pourquoi le « mystère froid » des matériaux supraconducteurs est-il crucial pour la future technologie des moteurs ?
Avec l’importance croissante accordée à l’efficacité énergétique, l’application de matériaux supraconducteurs dans la technologie des moteurs suscite une attention croissante. Un moteur supraconducteur est un système moteur qui utilise les propriétés des supraconducteurs pour obtenir une résistance CC presque nulle, améliorant ainsi considérablement l'efficacité. Cependant, le « mystère de la basse température » des matériaux supraconducteurs limite leurs applications critiques dans les applications à grand volume. Cet article explorera l’histoire, l’état actuel et les défis futurs des moteurs supraconducteurs, ainsi que la manière dont ces défis affecteront le développement futur de la technologie des moteurs.
Les supraconducteurs atteignent une résistance électrique nulle à une certaine température de transition, ce qui leur permet de générer des champs magnétiques extrêmement élevés qu'il est impossible d'atteindre dans les moteurs conventionnels.
Revue d'histoire
Le concept de moteurs supraconducteurs n'est pas nouveau. En fait, dès 1831, Michael Faraday a créé le premier moteur homopolaire à courant continu. Au fil du temps, les recherches sur l’application des supraconducteurs dans les moteurs homopolaires à courant continu ont progressivement augmenté. En 2005, la société américaine General Atomics a remporté un contrat pour créer un grand moteur homopolaire supraconducteur à faible vitesse destiné à la propulsion des navires.
On pense que les générateurs homopolaires supraconducteurs ont le potentiel de servir de sources d’énergie pulsée pour les systèmes d’armes laser, bien que ces machines soient encore confrontées à des défis dans les applications pratiques. Les premières machines supraconductrices synchrones à courant alternatif utilisaient des supraconducteurs métalliques à basse température et nécessitaient un refroidissement à l'hélium liquide, ce qui limitait leurs applications. Mais avec le développement de la technologie supraconductrice à haute température, les machines utilisant des supraconducteurs en céramique ont commencé à attirer une large attention sur le marché.
L’essor des moteurs supraconducteurs à haute température a apporté un nouvel espoir pour les plus grands générateurs et moteurs de propulsion des navires.
Intérêts actuels
Actuellement, l’intérêt pour les moteurs supraconducteurs en céramique synchrones à courant alternatif se concentre sur les grandes machines telles que les générateurs utilisés dans les centrales électriques et marines, et les moteurs utilisés dans la propulsion des navires. AMSC, en collaboration avec Northrop Grumman, a développé et démontré un moteur de propulsion marine supraconducteur de 36,5 MW. Ces moteurs sont considérés comme une technologie puissante pour les éoliennes en raison de leur nature légère, ce qui peut réduire efficacement le coût global des installations de production d'électricité.
Les premières éoliennes commerciales devraient être installées vers 2020, ouvrant la voie au développement futur des énergies renouvelables.
Les caractéristiques de légèreté des générateurs supraconducteurs apporteront des changements révolutionnaires à la technologie de production d’énergie éolienne.
Analyse des avantages et des inconvénients
Comparaison avec les moteurs à conducteur traditionnel
Les moteurs supraconducteurs présentent des avantages significatifs par rapport aux moteurs traditionnels, mais ils présentent également certains défis et limites. Tout d’abord, les avantages des moteurs supraconducteurs incluent :
- Pertes de résistance réduites dans l'électroaimant du rotor.
- Avec la même capacité de puissance, la taille et le poids de la machine sont considérablement réduits.
Cependant, ces avantages comportent certains inconvénients, tels que :
- Coût, taille et complexité des systèmes de refroidissement.
- Lorsque le matériau supraconducteur perd son état supraconducteur, le moteur cesse soudainement de fonctionner.
- Instabilité de la vitesse du rotor.
- Des systèmes de contrôle électroniques sont nécessaires au fonctionnement réel, ce qui peut augmenter les coûts d'exploitation.
Comparaison entre les supraconducteurs à haute température et les supraconducteurs à basse température
Les supraconducteurs à haute température (HTS) peuvent atteindre la supraconductivité aux températures plus facilement disponibles de l’azote liquide, tandis que l’utilisation d’hélium liquide augmenterait les coûts. Les supraconducteurs à haute température sont généralement des matériaux céramiques, mais ils sont plus fragiles et difficiles à manipuler que les supraconducteurs en alliage métallique, tels que les alliages niobium-titane. De plus, les supraconducteurs en céramique ne peuvent pas être assemblés par des boulons ou par soudure, ce qui augmente les coûts de production. Dans des conditions transitoires, les supraconducteurs céramiques sont plus facilement entraînés par des champs magnétiques oscillants et perdent leur supraconductivité, ce qui est également l'un des problèmes qui doivent être résolus à l'avenir.
La manière de relever le défi de la perte de supraconductivité des supraconducteurs en céramique lors de changements transitoires sera la clé pour promouvoir l’avancement de la technologie des moteurs supraconducteurs.
Si l’on regarde vers l’avenir, l’évolution technologique apportée par les matériaux supraconducteurs aura sans aucun doute un impact profond sur la technologie des moteurs. Cependant, la manière de surmonter les défis existants et d’exploiter pleinement le potentiel des moteurs supraconducteurs est devenue un enjeu urgent pour les professionnels de l’industrie. À mesure que la technologie progresse, pouvons-nous réellement nous attendre à ce que les matériaux supraconducteurs se généralisent dans les applications quotidiennes ?
