لماذا الموصلون الخارقون هم مستقبل نقل السلطة

ففي كل عام، تختفي ملايين الدولارات من الكهرباء في الهواء الضعيف، حيث أن التدفقات الحالية من خلال خطوط النقل التقليدية التي تُصنع من النحاس أو الألمنيوم، فإن جزءا من هذه الطاقة يتحول إلى حرارة بسبب المقاومة الكهربائية للمواد، وبالنسبة لخطوط الطاقة البعيدة المدى، يمكن أن تصل هذه الخسائر إلى ٨ إلى ١٠ في المائة من مجموع الطاقة المنقولة، وفي الولايات المتحدة وحدها، تقدر التكلفة السنوية للخسائر في مجال الصرف بما يزيد على ٢٠ بليون دولار.

فالأدوات التي تقوم بالكهرباء لا مقاومة لها، وعندما تبرد بشكل سليم، يمكن أن يحمل جهاز لاسلك خارق تيارات ضخمة دون أن يولد أي حرارة، وتؤثر على نقل الطاقة تأثيرا عميقا، وإذا استطعنا نشر موصلات خارقة على نطاق واسع، يمكننا أساسا أن نلغي فقدان النقل، وأن نضاعف أو ثلاث مرات قدرة الممرات القائمة، وأن نبني شبكة كهربائية أكثر مرونة وكفاءة.

وتستكشف هذه المادة العلوم التي خلف الموصلين الخارقين، وفوائدهم العملية في نقل السلطة، والعقبات الحالية أمام الاعتماد الواسع النطاق، والبحوث المثيرة التي يمكن أن تجعلهم تكنولوجيا رئيسية في العقد القادم.

ما هو الموصلات الخارقة؟

(أ) إذا ما تبريدت درجة حرارة حرجة معينة (ت(c ]) يفقد كل المقاومة الكهربائية، وقد اكتشفت هذه الظاهرة لأول مرة في عام 1911 بواسطة مادة هيك كاميرلينج أونز الهولندية، التي لاحظت أن مقاومة الزئبق لمقاومة صفر عندما تبرد إلى 4.2 كيلوفين (269 درجة مئوية)().

إن المقاومة الصفرية ليست هي الملكية الوحيدة التي تحددها، كما أن الموصلات العليا تظهر أثر الميسنر: فهي تطرد الحقول المغناطيسية من داخلها، وهذا الطرد يعني أن المغناطيس يمكن أن يقفز فوق موصل خارق، وهو دليل مرئي مفترس للظاهرة، أما بالنسبة لنقل الطاقة، فلا توجد مقاومة للفوائد الرئيسية، ولكن تأثير ميسنر يتيح أيضا تخزين الطاقة المغناطيسية بكفاءة، كما يؤدي إلى وضع حد للأسعار الحالية.

أنواع الموصلات الخارقة

وتنقسم الموصلات الخارقة عموما إلى فئتين استنادا إلى درجة حرارتها الحرجة:

  • ]Low-temperature superconductors (LTS)] - Materials like niobium-titanium (NbTi) and niobium-tin (Nb3Sn) that require cooling to around 4-10 K. they are common in MRI machines, particle accelerators, and laboratory equipment.
  • () موصلات خارقة للطبيعة عالية الحرارة (HTS) ] - مكتشفة في عام 1986، وهذه المواد (مثل أكسيد النحاس الاليتريوم، أو YBCO) تصبح مخطّطة بدرجة أعلى من 77 كيلو مترا، نقطة الغليان للنيتروجين السائل هي أكثر تكلفة وأسهل من النيتروجين السائل.

وقد اكتشف في عام 2008 موصلون خارقون من الدرجة الثالثة، وهم مصممون على الحديد، وولدوا اهتماما بسبب حقولهم الحرجة العالية وآليات الأزواج غير العادية، رغم أن التطبيقات التجارية لا تزال بعيدة عن الركب.

لماذا الموصلات الخارقة ماتوا لنقل الطاقة

وتستخدم أسلاك الطاقة التقليدية أجهزة معالجة النحاس أو الألمنيوم، وحتى مع أفضل تصميمات، فإن هذه المعادن غير مقاومة للزراعة، إذ أن أكثر من خط نقل يبلغ ٥٠٠ كيلو متر، يصل إلى ١٠ في المائة من الطاقة الكهربائية للمدخلات، تُنحرف على أنها حرارة، وتستلزم هذه الخسارة إضافة قدرة على توليد الطاقة، وبناء محولات أكبر، وتركيب معدات التبريد في إطارات فرعية، كما أن ارتفاع تكلفة النحاس إلى أكثر من ميزانيات مشاريع النقل البالغ قدرها ٤ دولارات.

وعلى النقيض من ذلك، فإن الكابلات المُنتجة المُسبقة لا تقاوم أي مقاومة، ففي نظم التيار الحالية المتناوبة، توجد خسارة صغيرة من الهاستيريز وتيارات الدودي، ولكنها لا تذكر مقارنة بالخسائر المقاومة في النحاس، ففيما يتعلق بمفترق كابلي معين، يمكن للموصل الخارق أن يحمل أكثر من النحاس الحالي بثلاثة إلى خمس مرات دون زيادة في التسخين.

وعلاوة على ذلك، ونظرا لأن الكابلات التي تعمل بالموجات فوق سطحية تعمل بفولط أقل بكثير من حيث إنتاج نفس القوة، فإنها يمكن أن تزيل أو تقلل من الحاجة إلى المحولات والفرعات السوائب، ونتيجة لذلك، أصبح هيكل أساسي أكثر تماسكا وكفاءة وربما أقل تكلفة على المدى الطويل.

الفوائد الرئيسية لنقل الموصلات الرئيسية

الخسائر الرجعية المزالة

وتتمثل الميزة الأكثر وضوحا في كفاءة الطاقة القريبة من حيث الكمال، ويمكن لخط الطاقة المسببة للصيد أن ينقل الكهرباء من مزرعة رياح أو من النباتات الشمسية التي تستهلك مئات الكيلومترات بخسائر دقيقة فقط، وفي عالم يسعى إلى انبعاثات صافية من الطاقة، تترجم هذه الكفاءة مباشرة إلى استهلاك أقل من الطاقة الأولية وانخفاض انبعاثات غازات الدفيئة.

قدرة السلطة العليا

ويمكن أن تكون الكابلات المُنتجة فوق سطح البحر أكبر من النحاس بنسبة تتراوح بين 50 و 100 مرة، مما يعني أنه يمكن رفع مستوى مصرف نقالات موجود تحت الأرض يتعامل حاليا مع 200 ميغاوات ليعالج 000 1 ميغاوات بمجرد استبدال الكابلات التقليدية بكابلات مُنتجة خارقة، على افتراض تركيب نظام التبريد، وهذا تعزيز القدرة أمر حاسم في المناطق الحضرية الكثيفة حيث يكون تركيب قنوات جديدة باهظة التكلفة.

الهياكل الأساسية للاتفاق

ونظراً لأن الكابلات المُنتجة فوق سطح البحر أرق ويمكن أن توضع معاً دون تدخل حراري، فإنها تأخذ حيزاً أقل، وبالنسبة لوصلات الطاقة الغواصة مثل تلك التي تربط بين منابر الرياح البحرية وكابلات شاطئية، فإن الكابلات التي تُقلل من تكاليف نقل السفن والأثر البيئي.

Enhanced Grid Stability

ويمكن أن يحد الحد الأقصى للخطأ الذي يحدث في الوقت الراهن فوراً من ارتفاع معدل الإصابة خلال دائرة قصيرة، خلافاً للكسرات التقليدية التي تفتح بعد عدة دورات من دورات اتفاقية استكهولم، تعمل وحدات القوات المسلحة الخاصة في غضون ملي الثانية، وحماية المحولات ومنع انقطاع الكهرباء عن الماشية، وعند دمجها في خطوط النقل، فإنها تحسن موثوقية النظام عموماً.

ألف - الجوانب البيئية والأمنية

ولا تولّد الكابلات المُنتجة السطحية أي حقل مغناطيسي خارجي يتجاوز احتواءها، ولا تسخن التربة المحيطة بها أو تدخلات الكهرومغناطيسية، بالإضافة إلى أنها تعمل في فولتات أدنى، فإن خطر حدوث صدمة كهربائية يُخفّض، والنيتروجين السائل غير قابل للنفخ وغير سام، مما يجعل نظام التبريد أكثر أمانا من نظم الكابل المُنفلة بالنفط.

المشاريع الرائدة التطبيقية العالمية الحقيقية

فالنقل السريع للطاقة ليس نظرياً فحسب، وقد أثبتت مشاريع البيان العملي المتعددة وجود التكنولوجيا على نطاق واسع.

  • LIPA-1 (Long Island, New York) ] - A 600 mm, 138kV HTS cable was installed and operated successfully for several years, carrying up to 574 megawats. This project, funded by the U.S. Department of Energy, validated the reliable of HTS cables in a real grid environment.
  • AmpaCity (Essen, Germany)] - A 1‐km superconducting cable system replaced a conventional 110‐kV line in the city center, freeing up space and reducing losses. The system has been operational since 2014.
  • ]Shanghai (China) - A 1.2 -km, 35‐kV HTS cable was connected to the Shanghai grid in 2021, supplying power to residential and commercial users.
  • ]JT‐60SA (اليابان) - بينما ركز هذا المشروع على بحوث الاندماج، يستخدم مغناطيسات خارقة تبرهن على موثوقية التكنولوجيا الأساسية في المطالبة بالظروف الصناعية.

وتبين هذه المشاريع أن الكابلات المجهزة بالمواد فوق سطح الأرض يمكن تصنيعها وتركيبها وتشغيلها في ظل ظروف حقيقية للشبكة، والحواجز الرئيسية المتبقية هي التكلفة، والحاجة إلى خطة صيانة متعددة المستويات موثوقة لنظم التبريد المسببة للبرد.

التحديات التي تبقى

تكاليف التبريد والتعقيد

وحتى مع وجود موصلات خارقة عالية الحرارة تبرد بالنيتروجين السائل، يضيف النظام المبرد رأس المال ومصروفات التشغيل، أما بالنسبة لخط الانتقال الطويل، فلا بد من وضع مبردات كل 1 إلى 5 كيلومترات للحفاظ على درجة الحرارة، فالطاقة التي تستهلكها هذه المبردات تعوض بعض المكاسب الناتجة عن كفاءة النقل، ولكن عندما يكون الخط محشوماً بدرجة كبيرة (وهو نموذجي للبث)، فإن التحسينات الصافية في الكفاءة لا تزال إيجابية.

تكاليف المواد وصنعها

وتُصنع أسلاك البيوت العالية الارتحال باستخدام عمليات التفريغ أو المسحوق المعقد، ويُتوقع أن تُخفض التكاليف، ويُحتفظ الإنتاج الحالي بأسعار عالية تبلغ في الغالب 50 دولاراً إلى 200 دولار لكل كيلو متر مقابل دولار واحد إلى 5 دولارات للنحاس، ومع ارتفاع الطلب وحجم التصنيع، فمن المتوقع أن تُخفض التكاليف، وقد وسعت شركات عديدة، بما فيها شركة سوبر باور وشركة أوفجيكورا، قدرتها على إنتاج أجهزة الاتصال اللاسلكية في السنوات الأخيرة.

باء - الرشوة والقضايا الميكانيكية

وقد استقرت العديد من السيراميات في هذه المادة ويمكنها أن تشق إذا تعرضت لضغط أو توتر مفرط، مما يجعل مناولة الكابلات وتركيبها أكثر حساسية من الكابلات التقليدية، وقد وضعت تصميمات متقدمة من الكابلات (مثل كابل " كوراك " - وهو ناقل عن جولة أساسية) لإعطاء الموصلات الخارقة مرونة أكبر مع الحفاظ على قدرة عالية على العمل.

الخسائر في الوقت الحالي

وفي حين أن كابلات شركة DC الموصلات الفائقة قد فقدت تقريباً، فإن نظم شركة AC تنتج خسائر ضئيلة بسبب الهستيرات المغناطيسية، وهذه الخسائر عادة ما تكون من 0.1 إلى 1 في المائة من الطاقة المنقولة، وهي نسبة لا تزال أقل بكثير من نسبة النحاس 5 إلى 10 في المائة، ولكن يجب إدارتها، فالأسلاك المتعددة المكافآت والسترات الملتوية تساعد على التقليل إلى أدنى حد من الخسائر الناجمة عن التراكمات.

البحوث والتجديدات الأخيرة

موصلات خارقة للطبيعة في الغرفة؟

إن العطر المقدس من بحوث الموصلات الخارقة هو مادة تعمل في درجة حرارة الغرفة والضغط المحيط، وفي عام 2023، ادعى فريق في جامعة روتشيستر أنه لاحظ وجود قدرة خارقة على إحداث الاحترار في هضبة من النيتروجين المزودة بالنيتروجين عند 20 درجة مئوية، ولكن النتيجة لم تستنسخ بشكل مستقل ولا تزال مثيرة للجدل، كما أن مواد أخرى مثل عراق الهيدروجين - سداسي البرومة ستؤدي إلى زيادة الضغط.

السلف في أداء نظام إدارة الخدمات الصحية

وقد بلغت أشرطة " ريبوكو " الحديثة )الموصلات المشتركة( الآن ما يزيد عن ٠٠٠ ١ في المائة من الأسلاك الثابتة عند ٧٧ في المائة. وقد دفع الباحثون هذا إلى أكثر من ٠٠٠ ٢ ألف بتحسين مراكز التصاميم - الآثار التي تغلق خطوط التدفق المغناطيسي الموجودة، فالربط بينغ أمر حاسم لأنه يسمح للموصل الخارق بحمل تيارات عالية حتى في وجود حقول مغناطيسية قوية.

أجهزة تحويل السلطة المؤثرة

والمتحولون الذين يُبنىون مع رياح البيوت ذات الرؤوس الصغيرة والخفيفة وأكثر كفاءة من المحولين التقليديين، والمحول الذي يعمل في 10 أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم أم

الخزينة الحالية

وتتوفر الآن شبكات الكهرباء والمولدات الكهربائية المتوسطة الحجم تجارياً، ويمكنها معالجة التيارات المسببة للخطأ التي تبلغ 50 كيلو غرامات أو أكثر، مما يحد منها إلى مستوى آمن في الثانية المليمونة، وبما أن المرافق تواجه تيارات متزايدة من الأخطاء بسبب الجيل الموزع وتكامل الطاقة المتجددة، فإن هذه المراكز توفر حلاً فعالاً من حيث التكلفة لا يتطلب إنشاء وحدات فرعية ذات كواسر أعلى.

التوقعات المستقبلية وإدماج غريد

وتشهد شبكة الكهرباء العالمية أهم تحول لها منذ القرن العشرين، وكثيرا ما تكون المتجددات مثل الرياح والطاقة الشمسية بعيدة عن المراكز السكانية، مما يتطلب خطوطا طويلة لنقل الكهرباء، وفي الوقت نفسه، يزداد الطلب على الكهرباء بسبب المركبات الكهربائية والمضخات الحرارية والهياكل الأساسية الرقمية، وتتمتع الموصلات الرئيسية بمركز فريد للتصدي لهذه التحديات.

وهناك عدة بلدان لديها طرق وطنية لنشر الموصلات الخارقة، وتهدف كوريا الجنوبية، على سبيل المثال، إلى الاستعاضة عن 30 في المائة من انتقالها عالي التطويع بكابلات مشغلة للغاية بحلول عام 2030، وقد بنت شركة الحجاج الحكومية الصينية كابل مخطّط في شنغهاي بعشرة كيلومترات، بدأ العمل فيه في عام 2023، ويطور مشروع الاتحاد الأوروبي الكابلات ذات الجيل القادم من هذه الخدمات الأرخص والأقوى.

وهناك تطبيق واعد بوجه خاص في المناطق الحضرية حيث تكون ممرات الكابلات الجوفية ممتلئة بالفعل، وبدلا من حفر أنفاق جديدة باهظة التكلفة، يمكن للمرافق أن تسحب الكابلات النحاسية القديمة وتتركيب الكابلات التي تعمل بالموجات نفسها، مما يزيد من قدرة ثلاثة أضعاف إلى خمسة أضعاف، وتدرس المدن مثل نيويورك ولندن وطوكيو وفرانكفورت هذا النهج بجدية.

وهناك حدود أخرى تربط الطاقة المتجددة البحرية، حيث تقع أكبر مزارع رياح بحرية في العالم على بعد 100 إلى 200 كيلومتر من الشاطئ، وباستخدام الكابلات التقليدية HVAC، فإن الخسائر في النقل على تلك المسافات كبيرة وتتطلب محطات تعويض باهظة التكلفة، وقد استخدمت بالفعل محطات عالية التطوير المباشر، ولكن شركة HVDC التي تستخدم كابلات مشغلة يمكن أن تزيد من كفاءة وتخفض حجم المنابر البحرية، وقد أدت نتائج البرمجيات الواعدة في اليابان.

خاتمة

وتمثل الموصلات الرئيسية تحولا أساسيا في كيفية توفير الكهرباء، فهي تعد، من خلال القضاء على الخسائر المقاومة، بأن تجعل الشبكة أكثر كفاءة فحسب، بل أكثر موثوقية وقابلية للبيئة، ولا تزال العقبات الرئيسية في المقام الأول تكلفة التبريد، وأسعار التقدم المستمر في مجال علوم المواد وصنعها تؤدي إلى خفض هذه التكاليف، وقد أثبتت المشاريع الرائدة في جميع أنحاء العالم أن المنشآت الرائدة التي تقوم بصيد الكابلات تعمل في ظروف حقيقية من المرجح أن تشهدها في العالم.

ومع اقتراب العالم من الكربون، فإن الانتقال من الطاقة المفرطة يتيح أداة قوية لفتح كامل إمكانات الطاقة النظيفة، ولم يعد السلك المقاوم للقيمة الصفرية فضول مختبري؛ بل هو تكنولوجيا ناشئة للبنية التحتية يمكن أن تعيد تشكيل مشهد الطاقة.

Further reading:]