MgB2 Süperiletkenler

Günümüzde bilim insanları farklı uygulamalar için enerjiyi üretebilmek, saklayabilmek, bir başka forma dönüştürebilmek veya mümkün olduğunca az kayıpla enerji transferi sağlayabilmek için yoğun bir şekilde yeni metotlar/malzemeler üzerinde çalışmaktalar. Bunun için mümkün olan çözümler içerisinde en önemli yeri tutanlardan biri de süperiletkenliktir. Bu bağlamda MgB2, ki bu ülkemiz içinde ayrı bir önem arz etmektedir, bazı önemli uygulamalarda başarılı bir şekilde denenmiş olup mevcutta süperiletkenlik teknolojileri marketinde şimdiden yerini almış bulunmaktadır.

MgB2 süperiletkeni ile ilgili oldukça önemli sayılan bazı uygulamalar örneğin, tel, şerit, bobin, manyetik rezonans görüntüleme sistemleri (MRI), güç taşıma kabloları, hatalı akım sınırlayıcıları, dönüştürücüler, güçlü magnetler ve motorlar yapılmaya başlanmıştır. Hem ülkemiz açısından hem de ulusal önemli bazı projelerin bulunması açısından MgB2’nin bu harita içerisinde daha fazla yer tutması uygun görülmüştür.

MgB2’nin Endüstriyel Uygulamalar İçin Avantajları

Süperiletkenlerin teknolojide yaygın olarak kullanımını kısıtlayan en önemli problem sıvı helyum olarak görülmektedir. Sıvı helyumu üretmek hem zor, hem pahalı hem de saklama sıkıntılar yaratmaktadır. Dahası doğadaki helyum kaynaklarının sınırlı ve tükeniyor olması, kullandıktan sonra geri dönüşümündeki süreksizlikler ve uygunsuzluklar önemli problemler olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu da LTS malzemelerin teknolojide kullanımını ciddi şekilde sınırlamaktadır. Bu problemler HTS malzemelerin keşfedilmesi ve daha sonrada geliştirilmesi sonucunda kısmen de olsa ortadan kalmaya başlamıştır. Çünkü HTS süperiletken malzemeler sıvı azot sıcaklığı olan 77 K’nin üzerindeki sıcaklıklarda rahatlıkla çalışabilmekte ve sıvı azotu üretmek de hem daha kolay hem de çok daha ucuz olmaktadır.

Şekil 12 – MgB2 sisteminin kristal yapısı. Bor yapıda düzlemsel bir formda bulunmaktadır.

Ancak HTS süperiletkenlerin keşfinden sonra geçen 20 yıllık süre içerisinde çok önemli uğraşlar verilmesine rağmen HTS malzemelerin fiyatı düşürülememiştir bu da yaygın kullanımını ciddi şekilde sınırlamaktadır. Bu açıdan bakıldığında MgB2 süperiletkenleri daha fazla önem kazanmaya başlamıştır.

Çünkü bu malzemelerin üretimi daha ucuz, kristal yapısı basit, Şekil 12, dolayısıyla fiziksel özellikleri neredeyse tam olarak tespit edilmiş, kolay üretilebilir ve işlenebilir ayrıca nispeten yüksek geçiş sıcaklığına sahiptir (Tc~40 K). Bir diğer önemli özelliği de en azından 10-20 K arasında sürekli soğutulmadan (cryogen-free) süperiletkenlik özelliğini saklayabilmesidir. Özellikle magnet uygulamaları için MgB2 süperiletkenlerin avantajları aşağıdaki şekilde özetlenebilmektedir:

– 20 K gibi sıcaklıklarda düşük veya orta büyüklükteki magnet uygulamaları için yeterli ve kabul edilebilir sonuçlara ulaşılabilmektedir,

– Nb-Ti malzemelere göre daha kolay kablo fabrikasyonu yapılabilmektedir,

– Hem Mg hem de B diğer süperiletken malzemeler ile karşılaştırıldıklarında düşük maliyetli materyallerdir ve Mg’nin de B’un da herhangi bir toksik problemi bulunmamaktadır,

– MgB2 malzemesi Nb-Ti’un üçte biri kadar yoğunluğa sahiptir. Dolayısıyla aynı ağırlıkta iki malzemeyi karşılaştırdığımızda MgB2 den daha uzun kablo yapımı mümkün olabilmektedir,

– LTS veya diğer HTSsüperiletken magnetlere göre daha çabuk manyetize olabilmektedir,

– Nb-Ti ve Nb3Sn süperiletkenlerine göre daha yüksek Tc değerine sahip oldukları için daha geniş termal aktivite alanına sahiptir.

– Özellikle büyük koherens uzunluğu ile birlikte düşük anizotropi değerine sahip olmaları HTS malzemeler ile bile MgB2’yi yarışır duruma sokmaktadır.

Bu özelliklerinden dolayı MgB2 günümüzde üzerinde en yoğun araştırmaların yapıldığı süperiletken malzemelerin başında gelmektedir.

MgB2 Süperiletkeni için Araştırma ve Geliştirmede Son Durum

MgB2’nin keşfinden günümüze kadar bu malzemenin süperiletkenlik özelliklerini geliştirebilmek için bazı önemli üretim teknikleri geliştirilmeye çalışılmıştır. Özellikle endüstriden paydaş bulan bazı araştırma grupları MgB2 için önemli çalışmalar yapmaktadır.

Çalışmalar sonucunda MgB2 tellerin Jc(H), Hirr ve Hc2 değerlerinin önemli ölçüde iyileştirilmeleri nano-SiC, karbon nano tüp (CNT) ve karbohidrat katkılamaları ile sağlanabilmiştir. Örneğin nano-SiC katkılı MgB2 süperiletkende en yüksek Hc2 değeri 43 T’ya çıkarılmıştır. Benzer şekilde nano parçacık ilave edilmiş tellerde manyetik alan altında Jc değeri 10 kata kadar artırılabilmektedir. MgB2 deki bu önemli gelişmeler birçok grup tarafından teyit edilmiş ve uygulamaya da geçirilmiştir.

Ayrıca MgB2’nin akı çivilenmesini geliştirebilmek için başta tanecik büyüklüğünün küçültülmesi, ışınlama ve stres ile ilgili önemli çalışmalar yapılmış ve yapılmaktadır. Özellikle tanecik sınırlarında güçlü çivilenmesinin olabildiği doğrulanmış olup, 15-20 nm tanecik büyüklüğüne sahip MgO ve SiC katkılanması durumunda nano boyutta iğnelenmelerin yoğunlaşmasına dair delillerin bulunduğu bazı araştırma grupları tarafından ortaya çıkarılmıştır. En önemli rakibi olan Nb3Sn’un aksine MgB2 de nano boyuttaki akı çivilenmesinin birleşebildiği ve bunun da hacimsel çivilenmelere yol açabildiği gözlenmiştir.

Ancak nano parçacıklardan oluşan katkı materyallerinin MgB2 ile birleşmeleri pratikte bazı zorlukları beraberinde getirmektedir. Örneğin, katkı materyalleri sadece normal durum direncini artırmakla kalmayıp aynı zamanda tanecik sınırlarını da birbirlerinden ayırmaktalar bu da ister istemez süperiletken akım taşınmasının gerçekleştiği aktif kesitlerin azalması/küçülmesi anlamına gelmektedir. Bu durum karşımıza yapı içerisinde bazı akım yollarının bloklanmasını ve buna bağlı olarak düşük alanlarda Jc üzerinde negatif etkiyi ve yüksek alanlarda da efektif çivilenme merkezlerinin faydalarını ortadan kaldıracak yönde olduğu durumu ortaya çıkarmaktadır. MgB2 süperiletken malzemesinin önemli fiziksel özellikleri Tablo 4’de özetlenmektedir.

Tablo 4 MgB2 süperiletken sisteminin bazı önemli fiziksel özellikleri.

Şekil 13 de de özetlendiği gibi özellikle geçen beş yıl içerisinde MgB2 ile uğraşan gruplar MgB2 tellerin süperiletkenlik performanslarını artırmak için yoğun çabalar sarf etmektedirler. SiC katkılı MgB2 teller için en yüksek Jc değeri 6 T da 100,000 A/cm2 ve 11.5 T da ise 10,000 A/cm2 olarak elde edilmiştir ki bu değerler ticari olarak bulunabilecek Nb-Ti süperiletken teller ile karşılaştırılabilir boyuttadır. Özellikle malik asit katkılı MgB2 süperiletkenlerde bu değerlerin 6.8 T da 100,000 A/cm2 ve 11.7 T da 10,000 A/cm2 olacak şekilde yükseldiği görülmektedir. Ginzburg-Landau (GL) formülasyonu ile yapılanhesaplamalarda da “de-pairing” akım yoğunluğunun ~ 8.7 × 108 A/cm2 kadar olabileceği görülmektedir ki bu değer hesaplanabilen en büyük değer olarak bilinmektedir.

Şekil 13. Hyper Tech Research tarafından ticari olarak üretilen malik asit katkılı MgB2 tellerin diğer ticari MgB2 teller ile 4.2 K de karşılaştırılması. Malik asit katkılı teller 600°C de 4 saat ısıl işlem görmüştür. Jc değeri 10 T da 25,300 A/cm2 olarak ölçülmüştür. SiC katkılı in situ MgB2 teller ve ayrıca SiC katkılı ve iç magnezyum difüzyonu (IMD) prosesinden geçirilmiş tellere ait datalar da 8 Tesla’da Jc değerinin 100,000 A/cm2 kadar ulaştığı görülmektedir.

Ayrıca yapılan deneysel ölçümlerde kaliteli bir MgB2 ince film için 4.2 K de ve 15 T da 105 A/cm2 kadarlık bir akım yoğunluğu ortaya konmaktadır ki bu değer aslında iyi bir MgB2 kablodan ölçülen değerin iki katı kadar olmaktadır ve gerçekten de teknolojik olarak çok yüksek ve önemli bir değer olarak karşımıza çıkmaktadır.

Sonuç olarak daha MgB2 tellerin/kabloların Jc değerini artırabilmek için çok büyük bir potansiyelin olduğu ancak bunun yapıdaki çökelmelerin ve tanecik sınırlarındaki safsızlıkların kontrol edilebilmesi ile ortadan kaldırılabileceği düşünülmektedir.