Nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn và ứng dụng của nó trong kỹ thuật,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI – CƠ SỞ II BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN VÀ ỨNG DỤNG CỦA NĨ TRONG KỸ THUẬT Thuộc nhóm ngành khoa học: KHOA HỌC CƠ BẢN Thành phố Hồ Chí Minh, 05/2012 ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI – CƠ SỞ II BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG KỸ THUẬT Thuộc nhóm ngành khoa học: KHOA HỌC CƠ BẢN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Anh Nam Nguyễn Duy Vũ Nam Bùi Huy Đăng Trung Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: Xây Dựng Dân Dụng & Công Nghiệp K53 Năm thứ: 1/Số năm đào tạo: 4,5 Ngành học: Xây Dựng Dân Dụng Sinh viên chịu trách nhiệm chính: Nguyễn Tuấn Anh Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thanh Nga Thành phố Hồ Chí Minh, 05/2012 MỤC LỤC Lời mở đầu PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Nhiệm vụ nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu 6 Những đóng góp đề tài PHẦN HAI: NỘI DUNG CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ HIỆN TƢỢNG SIÊU DẪN 1.1 Lịch sử phát chất siêu dẫn 1.1.1 Vài nét lịch sử phát chất siêu dẫn 1.1.2 Bảng thống kê số vật liệu siêu dẫn 10 1.2 Hiện tƣợng siêu dẫn 10 1.2.1 Khái niệm tƣợng siêu dẫn 10 1.2.2 Điện trở không 11 1.2.3 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha 11 1.3 Các lý thuyết liên quan đến vật liệu siêu dẫn 12 1.3.1 Entropi trạng thái siêu dẫn trạng thái thƣờng 12 1.3.2 Sự xâm nhập từ trƣờng vào chất siêu dẫn 12 1.3.3 Lý thuyết Ginzburg – Landau 13 1.3.4 Lý thuyết BCS 14 1.4 Chất siêu dẫn nhiệt độ cao 15 1.4.1 Sơ lƣợc lịch sử phát chất siêu dẫn nhiệt độ cao 15 1.4.2 Lý thuyết liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao 17 1.4.3 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình 18 CHƢƠNG 2: CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SIÊU DẪN 20 2.1 Tính chất từ 20 2.1.1 Tính nghịch từ vật dẫn lí tƣởng 20 2.1.2 Vật siêu dẫn không lý tƣởng 21 2.1.3 Hiệu ứng Meissner 21 2.1.4 Từ trƣờng tới hạn 23 2.1.5 Dòng tới hạn 24 2.1.6 Mối liên hệ từ trƣờng tới hạn dòng tới hạn 25 2.1.7 Phân loại chất siêu dẫn theo tính chất từ 27 2.2 Tính chất nhiệt 28 2.2.1 Sự lan truyền nhiệt chất siêu dẫn 28 2.2.2 Nhiệt dung chất siêu dẫn 29 2.2.3 Độ dẫn nhiệt chất siêu dẫn 30 2.2.4 Hiệu ứng đồng vị 31 2.2.5 Các hiệu ứng nhiệt điện 32 2.2.6 Các tính chất khác 32 2.3 Phân biệt vật liệu siêu dẫn vật dẫn điện hoàn hảo 32 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU SIÊU DẪN TRONG KỸ THUẬT 33 3.1 Máy chụp ảnh cộng hƣởng từ (MRI) 33 3.2 Máy gia tốc hạt chất siêu dẫn nhiệt độ cao 38 3.3 Truyền tải lƣợng ( Eclectric power tranmission) 45 3.4 Siêu máy tính 47 3.5 Hệ thống từ thủy động lực ( Magnetohydro Dynamic System ,MHD ) 48 3.6 Tàu thủy siêu dẫn 48 3.7 Cảm biến đo từ thông ba chiều 49 3.8 Vật liệu nano mang đồng thời tính siêu dẫn tính sắt từ 49 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ SIÊU DẪN TRONG GTVT VIỆT NAM 51 4.1 Tàu chạy đệm từ dùng nam châm siêu dẫn 51 4.2 Phân loại 52 4.3 Đƣờng ray tàu đệm từ (Track Maglev) nguyên lý hoạt động 53 4.4 Nhận xét 55 PHẦN BA: KẾT LUẬN 59 Tài liệu tham khảo 60 Lời mở đầu Nghiên cứu khoa hoc hoạt động cần thiết, quan trọng bổ ích, hoạt động giúp cho người nghiên cứu hiểu biết thêm kiến thức lĩnh vực chun mơn nghiên cứu mặt khác giúp cho người nghiên cứu biết thêm vè khoa học nước khoa học giới Đề tài “Vật liệu siêu dẫn ứng dụng khoa học – kỹ thuật” chúng em thực với mong muốn ứng dụng công nghệ tiên tiến sử dụng vật liệu siêu dẫn vào giao thông để đưa tổ quốc ngang hành với cường quốc năm châu Trong tài liệu này, chúng em có trình bày vài nét q trình lịch sử phát chất siêu dẫn, lý thuyết liên quan, khái niệm, đặc điểm điển hình tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn cuối ứng dụng cụ thể khoa học – đời sống, đặc biệt tàu đệm siêu tốc Có thể giúp bạn có nhìn cụ thể tượng này, biết điều lạ, thú vị việc ứng dụng siêu dẫn vào công nghệ đại Hy vọng tài liệu tư liệu bổ ích cho bạn sinh viên, người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm tượng siêu dẫn – vấn đề nhiều điều kỳ bí Chúng em xin chân thành cảm ơn ! PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu Siêu dẫn trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà cho phép dịng điện chạy qua trạng thái khơng có điện trở đặt siêu dẫn vào từ trường từ trường bị đẩy khỏi Nghiên cứu tượng siêu dẫn giúp người tiết kiệm lượng điện lớn (từ 20% đến 30 %) ứng dụng vào kỹ thuật như: tàu chạy đệm từ dùng nam châm siêu dẫn, máy chụp ảnh cộng hưởng từ ,máy gia tốc hạt chất siêu dẫn nhiệt độ cao, nam châm siêu dẫn lò phản ứng nhiệt hạch, siêu máy tính… Một đặc tính kỳ diệu số vật liệu nhiệt độ định (tùy theo chất) điện trở suất vật liệu khơng, độ dẫn điện trở nên vơ Đó tượng siêu dẫn Hiện tượng lý thú phát lần thủy ngân cách gần kỷ (năm 1911) vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K) Sau này, tính chất siêu dẫn tìm thấy hàng loạt kim loại, hợp kim hợp chất Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta cịn phát thấy với chất siêu dẫn từ trường bên ln ln khơng có tượng xun ngầm lượng tử… Mãi 40 năm sau, tượng kỳ lạ chất siêu dẫn lý giải lý thuyết vi mơ Theo đó, khác với chất dẫn điện thông thường, trạng thái siêu dẫn, tượng dẫn điện cặp điện tử kết hợp với chuyển động tạo nên dòng điện, cặp không bị mát lượng điện trở suất khơng Với đặc tính nêu trên, chất siêu dẫn ứng dụng nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao chế tạo Ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng bệnh viện để chuẩn đốn xác bệnh tật người không sử dụng cuộn dây tạo từ trường dây siêu dẫn Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao phát cách 20 năm mở triển vọng to lớn việc nghiên cứu, ứng dụng chất siêu dẫn Để sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao, cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi 77 K hay -196οC) với giá thành hạ hàng trăm lần so với dùng chất siêu dẫn thông thường Chất siêu dẫn có số đặc tính gần gũi với kỹ thuật nghe nhìn cơng nghệ cao, chúng khơng có điện trở Về ngun tắc, dịng điện bắt đầu chạy vòng siêu dẫn, gần chạy Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang lượng điện lớn dây điện dây cáp tiêu chuẩn Vì vậy, thành phần siêu dẫn nhỏ nhiều so với chất khác Và điều quan trọng chất siêu dẫn không biến điện thành nhiệt Điều đồng nghĩa với việc máy phát chip máy tính siêu dẫn hoạt động hiệu nhiều so với Các khả ứng dụng tiềm tàng chất siêu dẫn rộng rãi quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học cho rằng, việc phát minh chất siêu dẫn so sánh với việc phát minh lượng nguyên tử, việc chế tạo dụng cụ bán dẫn; chí số nhà khoa học so sánh vơi việc phát minh điện Các vật liệu siêu dẫn đưa đến thay đổi lớn lao kĩ thuật, công nghệ kinh tế đời sống xã hội Các vấn đề tượng siêu dẫn vấn đề nóng hổi mà giới khoa học quan tâm Hơn hai mươi năm qua, nhà vật lý khơng thể lý giải cách xác tượng siêu dẫn nhiệt độ cao dường xảy nhóm đặc biệt hợp chất dựa đồng (Cu) xảy Và đây, nhà khoa học Nhật Bản khám phá loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoàn toàn dựa sắt mà cho phép nhà vật lý cách thức để tìm hiểu cách dễ dàng tượng – làm sáng tỏ điểm quan trọng tượng đầy bí ẩn vật lý chất rắn Đến tháng 1/1986 Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller Georg Bednorz tình cờ phát chất gốm mà yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại Chất gốm trở nên siêu dẫn nhiệt độ 35 độ K Một thời gian ngắn sau, nhà khoa học Mỹ lại phát chất gốm tạo thành chất siêu dẫn nhiệt độ tới 98 độ K Điều quan trọng chúng làm lạnh Nitơ hố lỏng Đó thứ rẻ tiền dễ thao tác so với Helium lỏng Người ta gọi chất siêu dẫn Kết kích thích nhà khoa học đua tìm chất gốm có đặc tính siêu dẫn nhiệt độ K ngày cao để mang lại thuận tiện đỡ tốn ứng dụng siêu dẫn vào đời sống Năm 1987, Hội Vật lý Mỹ (American Physical Society) mở Hội nghị khoa học New York với diện nhiều nhà vật lý tiếng Hoa Kỳ nhiều nước giới Người ta trao đổi đến nét siêu dẫn mà số tượng đĩa “gốm treo” lơ lửng nam châm, người ta gọi “hiệu ứng Meissner” Hiệu ứng ngăn cản từ trường thâm nhập vào bề mặt chất siêu dẫn, thế, làm cho đĩa gốm tự nâng lên lơ lửng nam châm; từ trường mạnh thắng sức đẩy, phá huỷ đặc tính siêu dẫn vật liệu Như vậy, chất gốm siêu dẫn tỏ dễ bị ảnh hưởng từ trường mạnh Đồng thời, nguyên lý Magnetic Levitation (Maglev) đề cập đến, nguyên lý dựa vào từ trường nam châm siêu dẫn sinh trì nhiệt độ thấp nhiệt độ ấy, trở kháng khơng cịn, nam châm trở thành siêu dẫn tạo từ trường cực mạnh Từ kết với nghiên cứu khác, người ta kết luận: Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp tạo từ trường mạnh gọi chung đặc tính riêng thứ hai siêu dẫn Mọi chất siêu dẫn làm từ trường; mặt khác, dòng điện chạy chất siêu dẫn lại không gặp phải kháng trở nào, từ trường siêu dẫn sản sinh mạnh Nhờ mà ngày nay, người tạo từ trường nhân tạo mạnh gấp tới 200 ngàn lần so với từ trường Trái đất Cho đến nay, nhiệt độ cao đạt với chất gốm siêu dẫn 125 độ K Lý chọn đề tài Chúng ta thấy tượng siêu dẫn mang đến cho khoa học đời sống ứng dụng rộng rãi to lớn Ngày khoa học kĩ thuật đang phát triển đòi hỏi nhà khoa học phải vận dụng khai thác tối đa ứng dụng chất siêu dẫn để phục vụ cho người lĩnh vực Qua thấy ứng dụng chất siêu dẫn khơng cịn xa lạ với người Hiện tượng siêu dẫn mang đến sức hút kì lạ cho biết đến mong muốn khám phá ứng dụng rộng rãi kì diệu Và lí để nhóm định chọn đề tài “Nghiên cứu tượng siêu dẫn ứng dụng kỹ thuật” với mong muốn nâng cao hiểu biết vấn đề này, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng siêu dẫn Đặc biệt ứng dụng tượng siêu dẫn vào lĩnh vực giao thông vận tải Mục tiêu đề tài Trên sở nghiên cứu lý thuyết tượng siêu dẫn để đề xuất ứng dụng siêu dẫn lĩnh vực giao thông vận tải Việt Nam Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tượng siêu dẫn, tính chất vật liệu siêu dẫn - Nghiên cứu số ứng dụng vật liệu siêu dẫn kỹ thuật - Đề xuất ứng dụng siêu dẫn lĩnh vực giao thông vận tải Việt Nam Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu tài liệu liên quan đến siêu dẫn, lý thuyết giải thích tượng siêu dẫn, đặc biệt siêu dẫn nhiệt độ cao - Nghiên cứu ứng dụng: tìm hiểu ứng dụng thực tế siêu dẫn số nước như: Đức, Nhật, Mỹ, Từ tìm hiểu tình hình thực tế Việt Nam để đề xuất ứng dụng siêu dẫn lĩnh vực giao thông vận tải 6 Những đóng góp đề tài - Hệ thống lý thuyết tượng siêu dẫn - Trình bày tính chất vật liệu siêu dẫn - Trình bày số ứng dụng vật liệu siêu dẫn kỹ thuật - Đề xuất ứng dụng siêu dẫn lĩnh vực giao thông vận tải nhằm giải tình trạng giao thơng ngày căng thẳng thành phố lớn Việt Nam Thách thức lớn trước mắt ứng dụng vào hệ thống truyền dẫn điện năng, nhu cầu hệ thống đường dây truyền điện đường dài để đưa điện từ nguồn lượng thay sức gió lượng mặt trời ngày thiết.Nhưng khu vực để thu sức gió,năng lượng mặt trời lại nằm xa khu vực tiêu thụ lượng Nếu sử dụng hệ thống dây điện thơng thường mặt gây mỹ quan mặt khác quan trọng gây thất nhiều điện đường truyền tải (có thể tới 14% điện đường cáp làm đồng) chi phí cho hệ thống khơng rẻ Chính điều tạo điểm vượt trội sợi cáp siêu dẫn Một bó dây cáp truyền dẫn gigawatt – tương đương với sản lượng nhà máy điện hạt nhân – nằm gọn đường ống với đường kính feet chơn lòng đất Một phần đường ống nối với hệ thống làm lạnh – tượng siêu dẫn diễn nhiệt độ vật liệu siêu dẫn hạ xuống mức thấp Trước người ta sử dụng heli hóa lỏng nhiệt độ -269 độ C để làm lạnh, ngày nhà khoa học tạo loại vật liệu đạt tính siêu dẫn với việc làm lạnh nitơ lỏng, tức nhiệt độ khoảng -70 độ C Đây bước tiến có ý nghĩa kinh tế lớn chi phí sản xuất làm lạnh nitơ rẻ so với chi phí heli Hệ thống làm lạnh tiêu hao phần lượng từ dây cáp mức nhỏ nhiều so với lượng thất thoát điện sử dụng đường dây điện đồng Hiện nay, hệ thống cáp điện siêu dẫn lắp đặt thử nghiệm đảo Long Island, California thành phố New York Phương thức truyền tải điện mới, không bị thất thoát: dây cáp truyền điện cho vào ống làm lạnh khí nitơ hóa lỏng để khiến chúng trở thành siêu dẫn Hình 3.9 Hệ thống làm lạnh dây cáp truyền điện 46 Công nghệ chưa ứng dụng rộng rãi thương mại phức tạp tốn Các công ty điện lực thực số dự án trọng điểm quy mô nhỏ Tuy nhiên,các nhà khoa học hy vong ngày tìm vật chất trở thành siêu dẫn nhiệt độ bình thường, truyền tải điện khơng bị thất quãng đường dài Nhà khoa học Takano mơ tưởng đến ngày “điện thu từ lượng Mặt Trời sa mạc Gobi (ở Trung Quốc Mông Cổ) truyền tải khắp giới” Ơng hy vọng có vành đai dây cáp siêu dẫn đặt dọc xích đạo Trái Đất kết nối với nhà máy sản xuất điện từ lượng Mặt Trời gắn nhiều nơi giới đưa “điện sạch” đến khu vực nông thôn vùng sâu vùng xa Phát dây điện vật liệu siêu dẫn thời gian gần đây: Tel Aviv (Israel) phát minh dây siêu dẫn mang điện nhiều gấp 40 lần so với dây đồng kích thước khơng bị hấp thụ nhiệt Dây siêu dẫn làm từ sợi tinh thể sapphire bao phủ hỗn hợp gốm.Mỗi sợi dây dày sợi tóc người có khả truyền tải điện lớn TS Boaz Almog, nhà nghiên cứu, tin rằngdây siêu dẫn sapphire lý tưởng việc cung cấp lượng từ nguồn lượng từ xa sử dụng cho lưới điện quốc gia Hình 3.10 Dây siêu dẫn sapphire có khả truyền tải điện cao gấp 40 lần dây đồng truyền thống 3.4 Siêu máy tính Siêu máy tính loại máy tính phục vụ cho nghiên cứu khơng gian,quân sự, y học,…Chúng có tốc độ teraflop, tức máy tính thực nghìn tỷ tỷ thao tác giây Siêu máy tính làm từ nút bấm tí hon “cái ngắt mạch điện từ” vật liệu siêu dẫn giống tranzito, với đặc tính dẫn điện mà khơng có điện kháng Vì siêu máy tính sử dụng linh kiện vật liệu siêu dẫn có 47 ưu điểm: nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh, mạch điện đóng mở nhanh tích nhỏ.Trong máy tính siêu dẫn đường truyền vi mạch siêu dẫn nối với thiết bị bán dẫn Ví dụ: tiếp xúc Josephson, cơng tắc siêu dẫn đóng mở pico giây (nhanh gấp 10 lần công tắc bán dẫn) Kỷ lục thuộc siêu máy tính Titan Mỹ với tốc độ xử lý 20 petaflop Hình 3.11 Siêu máy tính TITAN 3.5 Hệ thống từ thủy động lực ( Magnetohydro Dynamic System ,MHD ) Hệ thống sử dụng khí gas bị đốtt cháy, trở thành ion hóa tạo nên lực xuyên qua từ trường làm tách ion dương âm đẻ tạo thành dòng điện máy phát điện MHD có số phận khơng chuyển động cho hiệu suất tốt nhiều so với tuabin nước nam châm siêu dẫn sử dụng để tạo từ trường cao làm cho hiệu suất tốt MHD sử dụng để quay chân vịt đẩy tàu thủy nước biển sử dụng chất lỏng làm việc thay cho khí đốt bị ion hóa Lọai hệ thống bánh lái gọi hệ đẩy điện từ (Electromagnetic thurster) EMT Hệ EMT tạo lực đẩy nhờ nam châm siêu dẫn Công nghệ chế tạo hệ thống MHD EMT áp dụng để chế tạo hệ thống đẩy, điều khiển tàu thủy tàu ngầm 3.6 Tàu thủy siêu dẫn Tàu thủy siêu dẫn thiết kế nhà khoa học Nhật Bản thử nghiệm thành công năm 1992 ý cửa nhiều nhà nghiên cứu giới Tàu thủy siêu dẫn hoạt động dựa động đẩy điện từ Động hoạt động dựa quy tắc bàn tay trái, nam châm siêu dẫn đóng vai trị làm tăng lực từ tàu Con tàu đươc hồn thiện có số vấn đề cần phải sửa dù mở hướng cho ngành công nghiệp tàu thủy giới 48 3.7 Cảm biến đo từ thông ba chiều Hệ SQUID YBCO sử dụng cho việc đo từ thơng ba chiều Lợi ích thiết bị định vị tăng từ thông cấu trúc cụ thể 3.8 Vật liệu nano mang đồng thời tính siêu dẫn tính sắt từ Trước đây, người ta cho tính sắt từ tính siêu dẫn thường tồn tại thời điểm Tuy nhiên, nhà vật lý Mỹ Pháp làm thay đổi suy nghĩ tạo cấu trúc nano mang đồng thời tính sắt từ tính siêu dẫn thời điểm Các kết cho thấy ảnh hưởng qua lại tính sắt từ tính siêu dẫn, nhà nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu Swiss Light Source (Thụy Sĩ) Viện Paul Scherrer Theo lý thuyết siêu dẫn Bardeen - Cooper - Schrieffer (lý thuyết BCS), electron có spin trái dấu kết cặp với (các cặp Cooper) chuyển động khơng bị cản trở, tạo nên điện trở Một từ trường làm phá hủy trạng thái siêu dẫn theo kiểu: bẻ gãy cặp Cooper; tạo cho electron có spin hướng song song với Các hiệu ứng dẫn đến việc làm giới hạn dòng điện chuyển dời chất siêu dẫn hiệu ứng đánh thủng từ trường dịng điện gây Năm ngối, Jacques Chakhalian đồng nghiệp Viện Max Planck (Đức) Đại học Grenoble (Pháp) cơng bố tạp chí Nature Physics vol 2, pp 229, 2007 tính chất chất vùng tiếp xúc chất siêu dẫn tạo Yttrium, Barium, đồng Oxygen chất sắt từ (LaCaMnO3) Các nhà nghiên cứu phát triển kỹ thuật cho phép họ tổ hợp vật liệu màng mỏng siêu mạng, có đồng thời tính sắt từ tính siêu dẫn Hình 3.12 Ảnh chụp cắt ngang siêu mạng Chakhalian đồng nghiệp lập kế hoạch quan sát sâu vào interface vật liệu sử dụng ánh sáng đồng (các xạ điện từ với bước sóng 49 khác mà điều chỉnh để có bước sóng xác định cho thí nghiệm riêng) Để giúp họ làm điều này, nhà nghiên cứu tài trợ kinh phí thời gian nghiên cứu để làm việc năm Swiss Light Source - nơi có nguồn sáng đồng đại giới Phổ ánh sáng Swiss Light Sourse biến đổi từ vùng hồng ngoại tia X cứng tia X mềm Tuy nhiên, không giống tia X truyền thống, phát tán không gian, tia X hội tụ hẹp Thử thách kỹ thuật nhóm Chakhalian để hội tụ chùm photon lượng thấp vào điểm có kích thước vài trăm microns Nghiên cứu mở nhiều lĩnh vực vật lý chí dẫn đến việc phát thêm nhiều vật liệu có đồng thời tính sắt từ tính siêu dẫn - theo cơng bố nhóm nghiên cứu 50 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ SIÊU DẪN TRONG GTVT VIỆT NAM Là kỹ sư tương lai trường Đại học GTVT, chúng em mong muốn ứng dụng công nghệ tiên tiến vào lĩnh vực giao thông để đưa tổ quốc ngang hàng với cường quốc năm châu Chúng em tự hào ngành GTVT Việt Nam Trong năm chiến tranh cán GTVT đóng góp tích cực, đóng vai trị quan trọng chiến thắng dân tộc Hịa bình lập lại nhận thấy ngành GTVT lạc hậu: mạng lưới cầu đường hư hỏng thiếu đồng bộ, phương tiện giao thông thiếu lạc hậu, quản lý giao thơng cịn yếu kém, Đảng nhà nước đầu tư mạnh vào ngành GTVT Nhiều cơng trình vĩ đại xây dựng : Cầu Mỹ Thuận, Cần Thơ, cầu Bãi Cháy, đường hầm Hải Vân… Nhiều đường cao tốc hoàn thành, phương tiện đổi Tuy nhiên, so với khu vực giới cịn phát triển Cần đẩy mạnh cơng đại hóa GTVT Gần có số dự án đường sắt cao tốc Bắc - Nam, tuyến đường sắt từ ga Hàng không Long Thành - Hồ Chí Minh Chúng em có số kiến nghị sau: Đường sắt cao tốc Bắc Nam nên sử dụng công nghệ siêu dẫn Thay cho đường sắt cổ điển thông thường xây đựng tàu đệm từ siêu dẫn lý sau : Đây phượng tiện hợp lý đầy đủ tiện nghi phương tiện khác Không gây ồn, không gây ô nhiễm không khí Tàu chạy với tốc độ cao giảm thiểu ma sát Cấu trúc hạ tầng có khác biệt ổn định gây tai nạn giao thông Tiết kiệm nhiên liệu Tiết kiệm thời gian hành trình Để hiểu rõ tàu đệm siêu tốc lại có ưu điểm vượt trội mà phương tiện giao thơng so sánh đươc, chúng em trình bày cụ thể vấn đề sau: 4.1 Tàu chạy đệm từ dùng nam châm siêu dẫn Tàu đệm từ (tiếng Anh: Magnetic levitation transport, hay maglev) phương tiện chuyên chở nâng lên, dẫn lái đẩy tới lực từ lực điện từ Phương pháp nhanh tiện nghi loại phương tiện công cộng sử dụng bánh xe,do giảm ma sát loại bỏ cấu trúc khí Tàu đệm từ đạt đến tốc độ ngang với máy bay sử dụng động cánh quạt hay phản lực; tức tới khoảng 500 đến 580 km/h Tàu đệm từ sử dụng thương mại từ 1984 Tuy nhiên, giới hạn khoa học kinh tế cản trở phát triển kỹ thuật 51 Kỹ thuật nâng lực từ khơng có trùng lặp với kỹ thuật tàu sử dụng bánh xe không tương thích với đường ray xe lửa truyền thống Do khơng sử dụng chung sở hạ tầng có, tàu đệm từ phải thiết kế với hệ thống giao thơng hồn tồn Thuật ngữ "tàu đệm từ" không đơn đến phương tiện chuyên chở mà bao gồm tương tác tàu đường ray; thiết kế đặc biệt tương thích lẫn để tạo lực nâng điều khiển xác việc nâng lên đẩy tới lực điện từ Bởi khơng có tiếp xúc trực tiếp đường ray tàu, nên có lực ma sát tàu khơng khí Do đó, tàu đệm từ có khả di chuyển với vận tốc cao, tiêu tốn lượng gây tiếng ồn Các hệ thống đề nghị hoạt động với vận tốc lên đến 650 km/h, nhanh nhiều lần so với tàu hỏa truyền thống Tốc độ cao tàu đệm từ làm chúng cạnh tranh với đường bay 1.000 kilômét Ứng dụng thương mại giới tàu đệm từ cao tốc tuyến thử nghiệm Thượng Hải (IOS, initial operating segment) vận chuyển hành khách quãng đường dài 30 km từ thành phố đến sân bay phút 20 giây (tốc độ cao 431 km/h, tốc độ trung bình 250 km/h) Các dự án tàu đệm từ khác giới nghiên cứu tính khả thi Hình 4.1 Tàu đệm từ JR-Maglev Yamanashi Nhật Bản (11/2005) 4.2 Phân loại Có hai loại cơng nghệ “tàu đệm từ” ý đặc biệt nay: +EMS (Electromagnetic suspension): Nam châm điện điều khiển điện từ tàu để hút vào đường ray có từ tính (thường thép) +EDS (Electrodynamic suspension): Sử dụng nam châm siêu dẫn nam châm vĩnh cửu mạnh để tạo từ trường gây dòng điện dây dẫn kim loại gần 52 đó, có chuyển động tương việc đẩy kéo tàu chạy với việc bay lên dựa thiết kế đường dẫn Một công nghệ thử nghiệm thiết kế, chứng minh mặt toán học, xem xét kĩ lưỡng cấp sáng chế, chưa xây dựng, cơng nghệ giảm xóc nhờ lực từ MDS (Magnetodynamic suspension), sử dụng lực hút từ tính hệ thống nam châm vĩnh cửu lắp đặt cạnh đường ray thép để nâng tàu lên giữ chỗ Các cơng nghệ khác nam châm vĩnh cửu có tính đẩy nam châm siêu dẫn nghiên cứu 4.3 Đƣờng ray tàu đệm từ (Track Maglev) nguyên lý hoạt động Các cuộn dây từ hóa chạy dọc theo đường ray, gọi đường dẫn, đẩy lùi nam châm lớn bánh đáp tàu, cho phép tàu bay lên từ 0,39 đến 3,93 inch (từ đến 10 cm) đường dẫn Khi tàu bay lên, lượng cung cấp cho cuộn dây đường dẫn để tạo hệ thống từ trường kéo đẩy tàu dọc theo đường dẫn Dòng điện cung cấp cho cuộn dây đường dẫn liên tục luân phiên thay đổi cực cuộn dây từ hóa Sự thay đổi cực gây từ trường phía trước tàu để kéo tàu phía trước, từ trường phía sau tàu tăng thêm lực đẩy phía trước cho tàu Tàu đệm từ loại tàu di chuyển khơng khí, đó, giảm lực ma sát nhiều so với tàu bình thường, lực ma sát chủ yếu lực ma sát khơng khí Với thiết kế khí động lực để giảm ma sát khơng khí, tàu đạt tốc độ 310 mph (500 km/h), gấp hai lần tàu siêu tốc nhanh Amtrak Hình 4.2 Đường ray tàu đệm từ Đức Nhật Bản hai quốc gia chạy thử nghiệm loại tàu đệm từ Mặc dù dựa tính chất tương tự hai loại tàu hai quốc gia có khác biệt rõ rệt Trong đó, kĩ sư Nhật Bản phát triển hệ thống EDS : thực phép nâng điện - động lực học cách tạo từ trường đối nam châm 53 siêu dẫn đặt tàu cuộn dây lắp đường ray hình chữ U bê tơng Từ trường nam châm siêu dẫn tạo cực mạnh đủ để nâng tàu lên 10 cm khỏi đường ray Đường ray có mặt cắt hình chữ U, có lắp cuộn dây từ, cung cấp điện trạm nguồn đặt đất dọc đường tàu Nam châm siêu dẫn đặt tàu đặt bình chứa Helium hố lỏng, tạo nhiệt độ thấp 269 độ khơng độ, có dòng điện qua, sinh từ trường khoảng 4,23 tesla nâng tàu bổng lên khung đường ray chữ U Nhờ lực hút lực đẩy xen kẽ hai cực Nam - Bắc cuộn dây nam châm, tàu tiến lên phía trước Điều khiển tốc độ nhờ điều chỉnh biến đổi tần số dòng điện cuộn dây từ đến 50 Hz điều chỉnh tốc độ từ xa trung tâm điều khiển Để hãm tàu, người ta làm cách hãm máy bay Sự khác Nhật Bản so với Đức họ sử dụng hệ thống làm mát vật liệu siêu dẫn Loại nam châm điện cung cấp điện nguồn điện tắt Trong hệ thống EMS Đức, sử dụng nam châm điện tiêu chuẩn, cuộn dây dẫn điện nguồn điện cung cấp dòng điện chạy qua Bằng cách làm lạnh hệ thống nhiệt độ siêu dẫn, hệ thống Nhật Bản tiết kiệm lượng Tuy nhiên, chi phí lại khơng rẻ chút Một khác biệt hệ thống tàu đệm từ Nhật Bản bay lên gần inch (10 cm) đường dẫn Tuy nhiên, trở ngại với hệ thống EDS tàu phải cuộn lốp cao su tốc độ cất cánh 62 mph (100 km/h) Các kĩ sư Nhật Bản nói bánh xe ưu điểm xảy tượng điện cho tồn hệ thống, tàu Transrapid Đức trang bị với pin điện trường hợp khẩn cấp Ngoài ra, hành khách có thiết bị bảo vệ tránh tác hại từ trường nam châm điện siêu dẫn gây Hình 4.3 Cơ chế đẩy tàu lực từ Nhật 54 Hình 4.4 Một tàu Nhật ứng dụng hệ thống Speed surface transport Nam châm vĩnh cửu trước khơng sử dụng nhà khoa học nghĩ chúng không tạo đủ lực từ để nâng Tuy nhiên, thiết kế Inductrack làm thay đổi cách xếp nam châm mảng Halbach Các nam châm định hình cho cường độ từ trường tập trung mảng thay Chúng làm từ loại vật liệu bao gồm hợp kim Nd – Fe – Bo tạo loại có từ tính cao Inductrack II thiết kế kết hợp hai mảng Halbach để tạo từ trường mạnh với tốc độ chậm 4.4 Nhận xét Tóm lại, tàu nâng lên đẩy phía trước, nam châm tàu đường lại khác cực, tiếp tục tàu bị hút xuống , khơng chuyển động Như lúc đầu nói, tàu gắn nam châm điện, nên dịng điện đổi cực để nam châm tàu đổi cực theo, lại cực với nam châm đường ray nâng lên, đẩy tới Quá trình thực liên tục nhanh nên tàu chạy êm nhanh Tàu chạy đệm từ phương tiện hữu ích tương lai, chạy với tốc độ ngang tốc độ máy bay, giảm thiệt hại ma sát trượt gây đường ray, ngồi cịn tránh gây nhiễm tiếng ồn cho môi trường xung quanh, tiết kiệm lượng nhiều, khoảng 50% lượng máy bay Tuy nhiên, dự án mang tính thử nghiệm số nước độ an toàn chưa đảm bảo chắn, cần thêm thời gian để tính khả thi cao Chi phí làm tàu hệ thống đường ray tốn kém, nước có điều kiện phát triển Hi vọng tương lai gần, hệ thống tàu đệm từ xuất giới nhiều có Việt Nam 55 Chúng em đề nghị tương lai tuyến đường sắt từ ga hang không Long Thành TP Hồ Chí minh, nên dùng cơng nghệ Đức, với tốc độ 400km/h đến 480 km/h thời gian chạy loại 15 phút Các kĩ sư Đức thiết kế hệ thống EMS Trong hệ thống này, đáy tàu quấn vòng thép Nam châm điện hút trực tiếp bánh đáp tàu làm cho tàu chuyển động phía trước đường dẫn, làm cho tàu bay lên với khoảng cách 1/3 inch (1 cm) giữ tàu bay lên dừng chuyển động Một nam châm khác đặt tàu để giữ ổn định suốt q trình chuyển động Đó phương pháp nâng điện từ nhờ tác động nam châm đặt tàu, với nam châm vô kháng chạy bên hai bên đường tầu hình chữ T Đức khẳng định tàu đệm từ Transrapid họ đạt tới 300 mph có người tàu ( 300 dặm giờ, 480 km/h) Hình 4.5: Cơ chế nâng tàu lên lực từ Đức Còn tuyến Hà nội - thành phố Hồ chí minh chúng em đề nghị sử dụng cơng nghệ siêu dẫn nước Nhật, Mỹ, Đức hợp tác Thời gian cho hành trình khoảng 30 phút Công nghệ sau: Nguyên tắc hoạt động tàu đệm từ không ma sát trực tiếp với đường ray Chỉ có ma sát tàu khơng khí nên có khả di chuyển với tốc độ cao, tốn lượng, gây tiếng ồn Với ưu điểm đó, dự án tàu đệm nhiều quốc gia Đức, Nhật khai Vừa qua, công ty Evacuated Tube Transport Technologies - ET3 đề xuất dự án tàu đệm từ xuyên lục địa, nối liền New York Bắc Kinh Nếu dự án thành thực, hành khách để lại thành phố Theo dự án thì, công ty ET3 tiến hành chế tạo tàu maglev siêu dẫn hoạt động đường ống chân không Tàu tăng tốc cách sử dụng mơ tơ điện tuyến tính đạt tốc độ tối đa 56 Hình 4.6: Mơ tàu đệm siêu tốc Hà nội đến Thành phố Hồ Chí Minh Các mơ tơ tích hợp vào đường ống, vật liệu siêu dẫn thụ động giúp tàu "trơi" bên đường ống dịng điện xốy (dịng Foucault) phát sinh vật liệu truyền dẫn dẫn động cho tàu Hiệu hệ thống cao lượng điện cần thiết để tăng tốc cho tàu thu hồi tàu giảm tốc Người đại diện ET3 nhấn mạnh, lợi kể trên, tàu đệm từ rẻ máy bay, tàu hỏa/tàu điện, xe nhanh máy bay phản lực Tàu có kích thước xe hơi, chở khách hành lý Tàu di chuyển đường ống có đường kính 1,5 m Các đường ống trì vĩnh viễn điều kiện gần chân không Tàu đệm từ đưa vào khỏi đường ống thơng qua cửa thơng khí trạm nghỉ dọc theo tuyến đường 57 Hình 4.7: Tàu đệm siêu tốc ET3 Sau đạt tốc độ khoảng 6.500 km/h, tàu trôi tự phần lại chuyến đường ống Do chạy môi trường chân không, lực ma sát tàu khơng khí triệt tiêu Tuy nhiên, rung lắc từ hệ thống giảm xóc tàu làm giảm phần nhỏ hiệu suất Tốc độ tàu phụ thuộc vào chiều dài hành trình tàu cần thời gian để tăng tốc Trong đường ống liên kết với giống đường cao tốc, tàu tự động di chuyển dọc theo đường ống, vậy, tuyến đường ngắn/dài cần đường ống riêng để tránh tình trạng hỗn chuyến Đây suy nghĩ ban đầu, có sở vững để thực Nếu giao phó nhiệm vụ kỹ sư GTVT sở II người ứng dụng công nghệ siêu dẫn vào GTVT Chúng em đầu tư thời gian trí tuệ để đóng góp nhiều cho tổ quốc xứng đáng với truyền thống nhà trường 58 PHẦN BA: KẾT LUẬN Hiện tượng siêu dẫn thực vấn đề nóng bỏng mà giới khoa học quan tâm, khả ứng dụng tiềm tàng chất siêu dẫn rộng rãi quan trọng, đưa đến thay đổi lớn lao kĩ thuật, cơng nghệ kinh tế đời sống xã hội Trong đề tài chúng em thực hiện: - Nghiên cứu lý thuyết tượng siêu dẫn, tính chất vật liệu siêu dẫn - Nghiên cứu số ứng dụng vật liệu siêu dẫn kỹ thuật - Đề xuất ứng dụng siêu dẫn lĩnh vực giao thông vận tải Việt Nam Chúng em có số đề nghị GTVT Việt nam tương lai: Đường sắt cao tốc Long Thành – Hồ Chí Minh: nên dùng cơng nghệ Đức, với tốc độ 400 - 480 km/h thời gian hành trình khoảng 15 phút Đường sắt cao tốc Hà nội thành phố Hồ Chí Minh: nên dùng cơng nghệ siêu dẫn nước Nhật, Mỹ Thời gian hành trình khoảng 30 phút Vì thời gian trình độ có hạn nên nghiên cứu cịn nhiều thiếu sót Chúng em mong đươc góp ý q thầy độc giả quan tâm đến lĩnh vực nghiên cứu siêu dẫn Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Thanh Nga hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài 59 Tài liệu tham khảo [1] Thân Đức Hiền (2008), Nhập môn siêu dẫn (vật liệu, tính chất ứng dụng), Nhà xuất bách khoa, Hà Nội [2] Nguyễn Huy Sinh (1994), Vật lý siêu dẫn, NXB Giáo dục [3] http://baigiang.violet.vn/present/show?entry_id=235645 [4] http://html.khkt.net/t18726-Nano-Cong-nghe-hien-tai-cho-tuong-lai.html [5] http://khoahoc.com.vn [6] http://www.vatlyvietnam.org [7] Đại học Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh (2009) Hiện tượng siêu dẫn ứng dụng khoa học - đời sống 60