Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) là gì?

Dân số tăng nhanh, công nghiệp hóa, đô thị hóa, thành phố thông minh và giao thông vận tải đã dẫn đến nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng. Tiết kiệm năng lượng trên hệ thống truyền tải và phân phối điện là một giải pháp cần thiết để giải quyết vấn đề thiếu năng lượng, cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và khủng hoảng môi trường.

Mạng lưới cáp điện truyền tải và phân phối là xương sống của nền kinh tế nhưng ước tính gần 8% năng lượng điện đang bị mất trên đường dây cáp điện. Đó là lý do công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao (HTSrs) có tiềm năng rất lớn trong việc cải thiện đáng kể công suất truyền tải điện ngầm hay trên không, siêu dẫn cho động cơ, máy phát điện và nhà máy điện…

Vì vậy, trong bối cảnh khủng hoảng về năng lượng và môi trường, việc lựa chọn công nghệ dây siêu dẫn tiết kiệm năng lượng là cần thiết để nâng cao hiệu quả của toàn ngành điện.

I. Cáp siêu dẫn và cáp siêu dẫn nhiệt độ cao

Cáp siêu dẫn (superconducting cable) là loại cáp điện có khả năng dẫn điện với điện trở ~ 0Ω. Dây siêu dẫn này được làm từ các chất siêu dẫn (superconductor), kích thước của dây chỉ bằng sợi tóc nhưng có khả năng dẫn điện gấp 150 lần dây đồng cùng kích thước.

Cáp siêu dẫn nhiệt độ cao (High Temperature Superconducting cable) là loại cáp điện được sản xuất bằng dây siêu dẫn nhiệt độ cao. Sở dĩ gọi là cáp siêu dẫn nhiệt độ cao bởi vì các vật liệu trước đây chỉ đạt khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ 0 tuyệt đối (tức khoảng -273,15℃), mức nhiệt quá thấp để ứng dụng trong thực tiễn, do đó các nhà khoa học đang nghiên cứu những vật liệu mới có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn, tiệm cận với nhiệt độ mà con người có thể sinh sống và ứng dụng vào thực tế.

• Có thể mang dòng điện cực cao – lớn hơn nhiều so với cáp đồng hoặc nhôm cùng kích thước, giúp truyền tải và phân phối điện ở điện áp tương đối thấp, có nghĩa là số lượng trạm biến áp sẽ ít hơn, giúp tiết kiệm chi phí.
• Có thể truyền một lượng điện năng khổng lồ so với kích thước của chúng . Ví dụ, một sợi cáp siêu dẫn có đường kính 17 cm có thể truyền tải 3.2 GW điện – đủ để cung cấp năng lượng cho một thành phố lớn. Hành lang dành cho cáp siêu dẫn có thể hẹp còn 1 mét.
• Không tạo ra nhiệt và có thể được che chắn hoàn toàn về mặt điện từ, do đó không có hiện tượng nhiễu với mạng lưới điện, viễn thông.

Tóm lại, một vật liệu trở thành siêu dẫn khi điện trở của vật liệu ~0Ω, khi ấy cường độ dòng điện I ~ U/0 ~ ∞ Ampe, vật liệu dẫn điện hoàn hảo. Tất nhiên các vật liệu có tính siêu dẫn chỉ khi làm lạnh xuống nhiệt độ 0 tuyệt đối, nhưng nhiệt độ này rất khó đạt được.

Đó là lý do các nhà khoa học vẫn liên tục nghiên cứu các chất có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn và định hướng tìm được chất siêu dẫn ở nhiệt độ môi trường, nên các chất này mới được gọi là siêu dẫn nhiệt độ cao.

II. Các chất siêu dẫn nhiệt độ cao

• Năm 1986, chất siêu dẫn LaBaCuO đã được phát hiện ở nhiệt độ 350K (77°C).
• Vào tháng 3 năm 1987, Chất siêu dẫn YBaCuO cũng được phát hiện ở 930K (656°C) khi hợp chất được làm lạnh bằng LN2.
• Sau đó, nhiều hợp chất được phát hiện (như YBaCuO, BiSrCaCuO, MgB2, HgBaCaCuO và TlBaCaCuO) đã được sản xuất cho các ứng dụng thương mại, có hiệu quả cao trong sản xuất dây cáp điện.

Các khám phá trên cho thấy chất siêu dẫn sẽ có độ dẫn điện gần như hoàn hảo nếu một số điều kiện được đáp ứng, mà phần lớn được quyết định bởi nhiệt độ. Nếu nhiệt độ được duy trì ở mức nhất định tùy thuộc chất siêu dẫn là gì.

Như vậy nói chung, các yếu tố xác định tính siêu dẫn của cáp là khi điện trở của cáp = 0. Để đảm bảo nhiệt độ được duy trì thấp, hiện nay công nghệ sản xuất cáp siêu dẫn đã tích hợp ni-tơ lỏng bên trong cáp, với khả năng hạ nhiệt xuống -200 độ C.

Cáp điện thông thường sau khi kết hợp với dây siêu dẫn sẽ tăng khả năng dẫn điện lên 10 lần.

• Xem thêm: Lịch sử chất siêu dẫn.

III. Tổng kết

Trong thế kỷ 21, Công nghệ siêu dẫn của các chất siêu dẫn HTSrs đang mở ra những triển vọng mới cho các nỗ lực cải tiến hiệu quả năng lượng và tiết kiệm năng lượng. Khả năng ứng dụng của chất siêu dẫn với điện trở = 0 có thể tạo ra nhiều cuộc cách mạng trong sản xuất điện, cáp điện, và nhiều lĩnh vực khác.

Nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng và khủng hoảng môi trường đang buộc phải phát triển và khám phá ra công nghệ phát điện sạch và tiết kiệm năng lượng. Bài báo này kết luận rằng công nghệ dây và cáp điện mới nổi của HTSrs đang mang lại cơ hội tốt hơn cho việc vận hành linh hoạt, tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường.

Dịch từ Electrical India