Diğer Endüstriyel Uygulamaları

1990 yılların başına kadar başta Amerika ve Avrupa olmak üzere ki bunlara son yıllarda uzak doğu ülkeleri de katılmıştır, teknolojide önemli sayılabilecek bazı uygulamaların konvansiyonel magnetler ya da çok az bir kısmının LTS sistemler ile başarılı bir şekilde yapıldığı bilinmektedir. Ancak 1995 yılından itibaren artık konvansiyonel magnetlerin yerini çok daha güçlü olan LTS ve HTS süperiletken sistemlerin aldığı görülmektedir. Bu uygulamalardan bazı önemli olanları ana hatları ile aşağıda verilmektedir.

i- NMR uygulamaları

Süperiletkenler teknolojik uygulamaların ve sağlık sektöründeki uygulamalarının yanı sıra Eczacılık, Biyoteknoloji, Genomik, Malzeme Bilimi ve ilaç keşfi araştırmaları için de önemli bir araçtır. Günümüzde LTS malzemeler oldukça hassas NMR spektroskopisi için gerekli güce sahip, stabil ve homojen mıknatısların üretilmesine imkan vermektedir. Bu bağlamda süperiletken malzemeler ile devam eden gelişmeler NMR sistemlerinin performanslarını da pozitif yönde etkilemektedir ve bu da bilim ve teknolojide geniş bir uygulama alanı sağlamaktadır. NMR’ın keşfi Fizikte analitik bir teknik olarak 1952 yılında Nobel Ödülü kazanmış ve NMR’a dayalı Manyetik Rezonans Görüntüleme, yöntemleri ise Tıp alanında 2003 Nobel Ödülü kazanmıştır.

Bugün, NMR sistemleri endüstriyel proses kontrol uygulamalarının yeni alanlara genişletilmesi, analitik kimya, fizik ve biyolojide yapı tayini için önemli bir yöntem olarak bilinmekte ve kullanılmaktadır. Özellikle NMR teknikleri kullanılarak protein yapı tayini günümüzde en yaygın uygulamalardan biridir. Yüksek manyetik alan değerleri, yüksek homojenlik ve istikrar biyolojik veya kimyasal yapı tayini ve diğer NMR analizi için gerekli olan çözünürlük ve hassasiyet sağlamak için şarttır. NMR sinyalinin manyetik alan şiddeti ve birbirinden bağımsız sinyaller arasındaki uzaysal çözünürlüğü manyetik alan şiddetinin karesi ile doğrusal olarak arttığı için, süperiletken magnetlerdeki gelişme NMR sistemlerindeki gelişme ve kullanımla yakından ile ilgili olmaktadır. Özellikle sürekli akım modunda süperiletken magnetlerle elde edilen son derece stabil ve güçlü manyetik alanlar süperiletken NMR sistemlerine olan ilgiyi çok daha artıracak ve önemli bir pazar haline getirebilecektir.

NMR spektrometresinin en önemli bileşenlerinden biri süperiletken mıknatıslardır. Son yıllarda süperiletken malzemelerdeki gelişmeler sonucunda 1 GHz mertebesinde NMR sistemlerinin üretimi gerçekleştirilebilmiştir. Buna bağlı olarak çok daha yüksek manyetik alanlara çıkılacağından daha karmaşık moleküllerin analizleri de yapılabilecektir. Bugün dünya çapında 25 binden fazla büyük/küçük kapasiteli NMR’lar olduğu bilinmektedir ve bu pazar her geçen gün de giderek büyümektedir. Bu konuda dünyada belli başlı çalışan bir kaç ülkenin olduğu görülmektedir. Bunların başında İngiltere, Japonya ve ABD gelmektedir. Bu ülkelerde 1 GHz gücünde NMR magnetlerinin üretiminin başladığı ve iç bobinlerinin de HTS malzemelerden üretilmeye başlandığı ve ticarileştirildiği bilinmektedir. Bunlarla birlikte açık MRI magnetlerinin de MgB2 süperiletken teller konusunda uzmanlaşan İtalyan firmalar tarafından yapıldığı ve testlerinin de bitirilmek üzere olduğu bültenlerde yer almaktadır.

ii- Kaolin Kil İşleme

Kaolin, kağıt ve seramik endüstrisinde yaygın olarak kullanılan beyaz bir dolgu malzemesidir. Dünya çapında yıllık üretim değeri 4 milyar dolar civarındadır. Başta ABD olmak üzere birçok ülkede üretilmektedir. Kaolin kili, düşük seviyede ferromanyetik ve paramanyetik safsızlıklar içermektedir. Kaolin’in saflaştırılması önemlidir ve bu proseste kaolin kil çamuru, bir manyetik alandan geçirilir ve içerisindeki safsızlıklar uygulanan alan yardımı ile yapıdan uzaklaştırılırlar. Bu işlemin başarısı uygulanan alanın büyüklüğüne bağlıdır. İlk saflaştırma işlemleri konvansiyonel magnetler ile yapılmaktaydı ancak daha malzemeler ile devam etmektedir.

sonraları LTS malzemelerden üretilen magnetler ve son yıllarda da HTS malzemelerden üretilen magnetler yardımı ile yapılmaktadır. Kaolin kilini işleme için kullanılan tipik bakır bazlı magnet ayrıştırıcılar 1.8T ile 2T arasında bir alan üretirken süperiletken tabanlılar magnetlerden 5T ve daha fazla manyetik alanlar oluşturulabilmektedir. Ayrıca, büyük, bakır tabanlı manyetik ayırıcılar saatte yaklaşık 400kW enerjiye ihtiyaç duyarken süperiletken magnetler kullanıldığında aynı kaolin miktarı için kullanılacak enerji miktarı yaklaşık 200kW’a düşer ve genel enerji tüketimi % 50 oranında azalır. Bu da süperiletkenlerin teknolojik kullanımda da ne kadar önemli olduğunun ilginç bir kanıtıdır ve artan enerji maliyetleri düşünüldüğünde önemli bir avantaj olarak karşımıza çıkmaktadır.

Aslında manyetik ayrıştırma prosesi yüz yıldan fazladır ticari olarak kullanılmaktadır. Yüksek güçteki manyetik ayrıştırıcıların (HGMS) geliştirilmesi yüksek alanlar sağlayabilen süperiletken magnetler ile başarılı bir şekilde yapılmaktadır ve bu gelişmeler ile birlikte ayrıştırıcı marketi de hızlı bir şekilde genişlemektedir. Bu sistemler zayıf manyetik özellik gösteren tanecikleri de ayırma kapasitesine sahip oldukları için kısa süreler içerisinde tonlarca malzeme işlemden geçirilebilmektedirler. HGMS sistemleri geliştirilmeden önce malzemeler ya tam olarak istenilen seviyede ayrıştırılamıyordu ya da kimyasal çözeltiler yardımı ile yapılıp ana malzemeye de zarar verilebiliyordu. HGMS sistemlerindeki gelişmeler sayesinde yakın gelecekte örneğin su içerisindeki manyetik olmayan kirlilikleri de uygun çekirdeklenme yöntemleri kullanarak temizlenebilecektir.

900MHz NMR sisteminin monte edilmiş hali. 1000 MHz ve üzeri için çalışmalar HTS

iii- Katı Atık Temizlemede HTS Sistemler

Yüksek manyetik alan değerlerine daha rahat ve düşük enerji kullanarak çıkılması sonucunda HTS malzemelerden yapılan magnet sistemleri ile çeşitli endüstriyel uygulamalar daha rahat yapılmaya başlanmıştır. Genelde bu uygulamalar radyoaktif atıkların temizlenmesi, katı atıkların ıslahı, atık suların işlenebilmesi, sıcak su kazanlarında ve eşanjörde kireç oluşumunun engellenmesi için kullanılmaktadır. Ayrıca yüksek manyetik alanlar yardımı ile yarıiletken üretimi gibi malzemelerin üretiminde de kullanılabilmektedirler. Bu uygulamaların gelişen teknolojiler ve azalan maliyetler ile yakın zamanda daha da yaygınlaşacağı düşünülmektedir.

iv – Tek Kristal Si İngot Üretimi

Tek kristal Si ingot üretimi için en uygun yöntem Czochralski (CZ) metodudur. Bu metotla büyük silindirik tek kristal malzeme çekirdek kristalin eriyik içerisinden yavaşça çekilmesi ile gerçekleştirilir. Ancak malzemenin boyutları büyütülecek olursa eriyiğin akışkanlığı bozulabileceği için üretilecek tek kristal malzemenin kalitesi önemli ölçüde düşmektedir. Bunun için işlemler eğer yüksek manyetik alanlar altında yapılabilirse hem eriyik akışkanlığı kontrol edilebilir hem de kalite problem ortadan kaldırılmış olur. Bu teknik ve yüksek manyetik alanlar kullanılarak tek kristal Si yarıiletkenler üretilmiş ve yarı iletken teknolojisinde kullanılmaktadırlar. Bu yöntemin adı da “Manyetik Alan Uygulanmış Czochralski Metodu” (MCZ) olarak anılmaktadır.

v- HTS İndüksiyon Isıtıcı Sistemleri

Yeni nesil demir içermeyen indüksiyon ısıtıcıları yaklaşık iki kat verimi ve daha kısa ısıtma zamanıyla artık ticari olarak temin edilebilmektedirler. Bu benzersiz makinelerin temel unsuru çalışan kısımların çok hızlı bir şekilde dönmesidir. İndüksiyon bobinler HTS malzemelerden üretilmektedirler ve doğru akımla çalıştıkları için direkt bir enerji kaybı yoktur. HTS indüksiyon ısıtıcılarda, hemen hemen hiç elektrik kaybı olmadığı için işletme maliyetlerinin yarıya düşmekte ve verimliliği de yaklaşık iki katına çıkarılabilmektedir. HTS indüksiyon ısıtıcılarda konvansiyonel termal yükleme olmadığı için daha az bakıma ihtiyaç duyulur ve daha uzun ömürlü çalışabilmektedirler.

Aynı nedenle, bakım yapmak, parçaları değiştirmek daha hızlı ve daha güvenlidir. Bu tür ısıtıcılarla 2 MW’a kadar verimlilik çok düşük bir enerji ile alınabilmektedir. Konvansiyonel iletkenler ile sarılan bobinler ve AC akım kullanılarak gerçekleştirilmeye çalışılan indüksiyon ısıtma işlemlerinde önemli problemler ile karşılaşılmaktadır. Bu problemler içerisinde en önemlisi çalışma enerjisinin önemli bir bölümü ısınacak hedefte değil indüksiyon bobininde kalmaktadır. Örneğin bu amaç için kullanılan en uygun eleman alüminyum olmasına rağmen enerji verimi ancak %40 civarında kalmaktadır. Manyetik olarak DC indüksiyon ısıtma metodunda ise ısıtılacak hedeften akım geçirmek yerine hedef güçlü bir DC magnet içerisinde dönderilir. Bu magnetler ise rahatlıkla HTS süperiletken malzemelerden yapılabilmektedir. Bunun sonucunda hem enerji kaybı önemli ölçüde azaltılmış oluyor hem de istenen sıcaklık kolay bir şekilde ayarlanabilmektedir.

vi- Uzay Araştırmaları

Süperiletkenler, uzay ile ilgili uygulamaları için geliştirme ve projelendirme aşamasındadır. Uzay teleskopları, manyetik aktüatörler, manyetik soğutucular ve minimum güce ihtiyaç duyan diğer önemli cihazlar şu an üzerinde çalışılan önemli elemanlardır. Süperiletkenlerdeki düşük enerji kaybından ve daha az enerji ihtiyacından dolayı bu tür uygulamalar için ideal malzemeler olarak düşünülmektedir. Bu konuda günümüzdeki ilk uygulamaları filtre devreleri, teleskoplar ve sinyalizasyon sistemleridir.