Neue evoli entwicklung: Erster Hinweis auf neue Evoli-Entwicklung aufgetaucht

neue Entwicklung von Moskauer Wissenschaftlern wird den Bau leiser und umweltfreundlicher Flugzeuge

ermöglichen
Wissenschaftler haben einen kleinen Demonstrator für ein Supraleitersystem entwickelt und getestet, der den Bau treibstoffeffizienterer Flugzeuge ermöglichen wird. Für den Bau umweltfreundlicher Flugzeuge mit mehr als 70 Passagieren werden supraleitende Systeme benötigt. Am Demonstrator arbeiteten Spezialisten des Moskauer Luftfahrtinstituts (MAI).

Der Demonstrator ist ein Kanal zur Gleichstromerzeugung mit einer Spannung von 540 V und ein System bestehend aus fünf Geräten:

— Supraleitender Generator,
— Supraleitendes Kabel,
— Gleichrichtergerät,
— Energiespeicher,
— kryogenes Kühlsystem.

All dies ist die Entwicklung verschiedener Abteilungen des Moskauer Luftfahrtinstituts.

„Es gibt noch keine derartigen Systeme auf der Welt. Als Konkurrent kann das Ascend-Projekt angesehen werden, das von Airbus umgesetzt wird. Nach Angaben der Entwickler sollen die ersten Tests dieses Systems im Jahr 2023 beginnen. Wir können sagen, dass wir unseren westlichen Kollegen ein wenig voraus sind“, sagt Nikolai Ivanov, Leiter des NIO-310 MAI „Elektrische Energie, elektromechanische und biotechnische Systeme“ des MAI.

Die Besonderheit des Systems besteht laut den Entwicklern darin, dass jedes der fünf genannten Geräte für sich einzigartig ist. Beispielsweise wird ein Gleichrichtergerät kryogen gekühlt: Nur wenige wissenschaftliche Gruppen auf der Welt untersuchen solche Geräte.

Das supraleitende Kabel verfügt über ein einzigartiges Design, das seine Leistung verbessern soll.

Das geschlossene kryogene Kühlsystem ermöglicht eine kontinuierliche Langzeitkühlung der Geräte.

Der Generator verfügt über eine supraleitende Ankerwicklung, die Gegenstand der Forschung geworden ist – beispielsweise gibt es noch keine etablierte Theorie und Methodik zur Berechnung der Verluste darin.

Der entwickelte Prototyp des supraleitenden Systems ist Bestandteil der Stromversorgung bzw. des elektrischen Antriebssystems künftiger Flugzeuge. Sein Standort an Bord des Flugzeugs hängt maßgeblich von der Anordnung des Geräts, der übertragenen Leistung, dem Temperaturniveau und anderen Parametern ab. Gleichzeitig wird die Reduzierung der Schadstoffemissionen vor allem durch die Reduzierung des Treibstoffverbrauchs des Gasturbinentriebwerks und die optimale Leistungsverteilung zwischen Wärme und Strom erreicht.

Nach Angaben des Wissenschaftlers hat der Demonstrator derzeit alle geplanten Tests bestanden. Die künftig gewonnenen experimentellen Daten werden es ermöglichen, die Zuverlässigkeit und Effizienz supraleitender Systeme zu steigern, da beim Betrieb eines supraleitenden Systems selbst jede Kleinigkeit, sei es ein Stromstoß, Temperaturschwankungen, übermäßige Vibrationen, auftreten können zu einer Notsituation führen.

Der nächste globale Schritt ist der Übergang zum Probebetrieb. Entwickler richten ihren Blick zunächst auf Luftfahrtsysteme. Potenzielle Kunden für die nächste Arbeitsstufe können Forschungsinstitute in der entsprechenden Richtung sein.

„Wir haben es uns zur Aufgabe gemacht, solche Anlagen in den Probebetrieb zu bringen. Das ist eine schwierige Aufgabe. Und vor allem hängt es genau mit der Definition der Gesetze der gegenseitigen Beeinflussung von Geräten im System zusammen. Darüber hinaus ist es sehr wichtig, Methoden zur prädiktiven Analyse (Zustandsüberwachung) supraleitender Geräte zu entwickeln“, stellt Nikolai Ivanov klar.

Das Projekt wurde im Jahr 2020 gestartet und gehörte zu den Gewinnern des Wettbewerbs des russischen Ministeriums für Bildung und Wissenschaft um Zuschüsse in Form von Zuschüssen für große wissenschaftliche Projekte in vorrangigen Bereichen der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung.

Das Wissenschaftlerteam besteht aus etwa 150 Personen. Dies sind erfahrene Spezialisten, Ärzte und Kandidaten der Wissenschaften sowie junge Wissenschaftler, Doktoranden und Studenten des Moskauer Luftfahrtinstituts. An der Arbeit sind auch Spezialisten des Instituts für Thermophysik der sibirischen Zweigstelle der Russischen Akademie der Wissenschaften beteiligt, die auf dem Gebiet der Entwicklung hocheffizienter und praktischer Methoden zur Intensivierung der Wärmeübertragung und zur Erhöhung der maximalen Ableitung von Wärmeströmen beim Sieden forschen und freie Konvektion in einem kryogenen Kältemittel, Entwicklung moderner Methoden zur thermischen Stabilisierung von Energiesystemen basierend auf dem Effekt der Supraleitung unter Verwendung von HTSL-Elementen sowie die Untersuchung eines Komplexes thermophysikalischer Eigenschaften von supraleitenden Bändern, elektrischen Isoliermaterialien und a neue Generation von Kühlmitteln.

Im Laufe des Projekts wurden mehr als 20 wissenschaftliche Artikel veröffentlicht
in ausländischen und russischen Fachzeitschriften sind mehr als 15 Ergebnisse registriert
geistige Tätigkeit.

Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit Industrieinstituten wie TsAGI, CIAM, GOSNIIAS durchgeführt. Darüber hinaus wird mit der UEC ein ständiger Dialog über die Perspektiven für die Entwicklung und Umsetzung von Hybridkraftwerken geführt.

Neuentwicklung für supraleitende Elektronik

Dokumentation

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acs.nanolett.1c01366.pdf

(PDF, 5,5 MB)

Eine gemeinsame Gruppe von Forschern des Moskauer Instituts für Physik und Technologie (MIPT) und der Universität Stockholm hat ein neues Speicherelement vorgeschlagen, das bei extrem niedrigen Temperaturen arbeitet

Russische Physiker haben das Grundelement komplexer Geräte in der supraleitenden Elektronik

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Anfang 2022 präsentierte eine Gruppe russisch-schwedischer Forscher der breiten Öffentlichkeit eine Neuentwicklung für supraleitende elektronische Geräte – ein Miniaturgerät, das die Phase einer supraleitenden Wellenfunktion steuern kann.

Die Neuentwicklung hat gute Chancen, zu einem der Grundelemente supraleitender elektronischer Geräte zu werden, da dieser Bereich speziell mit der Wellenfunktion arbeitet, wie beispielsweise ein Transistor für die Halbleitertechnik.

Wesentliche Vorteile der Neuentwicklung

Wichtige Vorteile des entwickelten Geräts sind:

  • Kleine Größe
    für die Industrie (in der Größenordnung von Hunderten von Nanometern)
  • Autonomie. Supraleitende Quantengeräte sind extrem anfällig für Störungen, und die Tatsache, dass man die Phase ändern kann, ohne Drähte anzuschließen, die potenzielle Quellen für Störsignale sind, ist sehr wichtig.

Welche Probleme löst das neue Speicherelement?

  • Implementierung des Niedertemperaturspeichers. Standard-Halbleiterspeichergeräte können bei extrem niedrigen Temperaturen nicht funktionieren – daher besteht ein dringender Bedarf, ein Äquivalent zu entwickeln, das auch bei Temperaturen von flüssigem Helium (4,2 K = -268,8 C) und darunter effektiv funktionieren kann. Dieser Engpass bei ultraschnellen Logikbausteinen auf Basis supraleitender Materialien wird durch ein neues Speicherelement gelöst, das bei extrem niedrigen Temperaturen arbeitet.
  • Vollständige Langzeitkontrolle des Phasendifferenzwerts in Josephson-Übergängen. Traditionelle Elektronik baut ihre Arbeit auf der Grundlage von Spannung oder Strom auf, supraleitende Elektronik arbeitet mit der Phase der supraleitenden Wellenfunktion, da in einem Supraleiter die Spannung immer Null ist, wenn der Strom unterhalb seines kritischen Werts fließt. In der konventionellen Elektronik ist ein autonomes Stromversorgungsgerät beispielsweise eine Batterie – eine Elektronenquelle, in der supraleitenden Elektronik ist ein Analogon eine Phasenbatterie – ein Gerät, das auch autonom eine Phasendifferenz in einem bestimmten Abschnitt des supraleitenden Schaltkreises erzeugen kann um einen Überstromfluss zu starten. Ein neues Speicherelement für Geräte der supraleitenden Elektronik ermöglicht es, den Wert der Phasendifferenz in Josephson-Übergängen – den Grundelementen der Supraleitung und Quantenelektronik – einzustellen, zu ändern und für lange Zeit zu speichern.

Wie funktioniert es?

Der Betrieb des neuen Elements basiert auf der Phasenumschaltsteuerung. Den Wissenschaftlern gelang es, den Wechsel zu kontrollieren, indem sie die Abrikosov-Wirbel zwischen speziell konstruierten „Fallen“ in der Nähe des Josephson-Knotenpunkts bewegten. Mit diesen Schaltern können Speicher implementiert werden, die bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten.

Detaillierte Materialien zu den Ergebnissen dieser Studie werden in der Zeitschrift Nano Letters („Reconfigurable Josephson Phase Shifter“; 11. Juni 2021; Taras Golod, Razmik A. Hovhannisyan, Olena M. Kapran, Vyacheslav V. Dremov, Vasily S. Stolyarov) veröffentlicht , und Vladimir M. Krasnov

Abb. 1. Aufbau des Geräts. Die Josephson-Phasenverschiebung wird durch supraleitende Wirbel erzeugt. Wirbelfallen im Mikrometerbereich. Quelle: Nano Letters .

„Supraleitung an sich ist ein interessanter quantenmechanischer Effekt in dem Sinne, dass sich die Elektronen in einem Supraleiter als Ganzes verhalten: Sie liegen auf dem gleichen Energieniveau und werden durch eine Wellenfunktion beschrieben. “ Gleichzeitig weist ein Supraleiter im Gegensatz zu Atomen und Photonen zwar Quanteneigenschaften auf, hat aber makroskopische Abmessungen (mehrere zehn Mikrometer), erklärt Vladimir Krasnov, leitender Forscher am MIPT Terahertz Spectroscopy Laboratory und Mitautor des Artikels. „Wenn sich Atome quantenmechanisch verhalten, ist das nicht überraschend, aber für so große Objekte ist es äußerst unerwartet.“

Josephson-Kontakte

Josephson-Kontakte sind Konstruktionen, die auf einer Art „Kondensator“ aus zwei durch einen dünnen Isolator getrennten Supraleitern basieren. Bei einem solchen Gerät fließt ein supraleitender Strom zwischen den Platten des Isolators.

Dieses Phänomen wurde 1962 vom Nobelpreisträger Brian David Josephson entdeckt und erhielt ihm zu Ehren den gleichen Namen.

Zwischen den Wellenfunktionen der Elektronen auf beiden Seiten der Barriere entsteht durch den Tunnelaustausch eine Phasendifferenz, die die Stärke des Stroms bestimmt. Die Möglichkeit, die Phasendifferenz kontrollierbar zu ändern, ermöglicht es, den Zustand supraleitender Geräte „abzustimmen“.

Abrikosov-Wirbel

Abrikosov-Wirbel
— ein Wirbel aus supraleitendem Strom (Überstrom), der um einen normalen (nicht supraleitenden) Kern (Wirbelfaden) zirkuliert und ein Magnetfeld mit einem magnetischen Fluss induziert, der einem magnetischen Flussquantum entspricht.

Dieses Phänomen wurde 1957 vom berühmten russischen Physiker A.A. Abrikosov (Schüler von L.D. Landau, Nobelpreisträger, Akademiker der Russischen Akademie der Wissenschaften) entdeckt.

Um die Phasendifferenz zu kontrollieren, fügten die Wissenschaftler des Forschungsteams dem Supraleiter Abrikosov-Wirbel hinzu. Ein Supraleiter lässt kein Magnetfeld in sich hinein, kann aber unter bestimmten Bedingungen in einzelnen Quanten dorthin eindringen, ohne die Supraleitung insgesamt zu beeinträchtigen.

Analog dazu beginnt ein supraleitender Strom um das „Loch“ – den Eindringpunkt – zu zirkulieren, so wie sich ein Hurrikan-Trichter um ein Gebiet mit niedrigem Atmosphärendruck dreht.

Es wurde festgestellt, dass es durch die Bewegung des Abrikosov--Wirbels möglich ist, die Phasendifferenz am nahegelegenen Josephson-Knotenpunkt zu ändern.

Abb. 2. Abrikosov-Wirbel. Autor: Frederick S. Wells, Alexey V. Pan, X. Renshaw Wang, Sergey A. Fedoseev; Hans Hilgenkamp

„2015 haben wir basierend auf Abrikosov-Wirbeln einen Speicherprototyp für einen Quantencomputer erstellt“, erinnert sich Vladimir Krasnov. — Es war viel einfacher: Wir haben bewiesen, dass wir den Wirbel ein- oder ausschalten können, indem wir 1 oder 0 erhalten, das reicht für die Erinnerung. Unser neues Gerät kann mit Hilfe kleiner Manipulationen des Stromimpulses die Phasendifferenz verändern. Die Schergenauigkeit wird mithilfe eines Systems speziell erzeugter Defekte kontrolliert – Fallenlöcher, die in die Oberfläche des Kristalls gebohrt werden. Ein „Kick“ mit einem Stromimpuls führt dazu, dass der Wirbel aus einer Falle „herausfliegt“ und in die nächste fällt. Etwa auf die gleiche Weise rollt der Ball auf unebenem Untergrund in ein Loch, da dies energetisch vorteilhaft ist. Indem wir den Wirbel um eine Entfernung in der Größenordnung seiner Größe verschieben, bewirken wir eine erhebliche Phasenänderung. Uns reichte ein System aus vier Fallen aus, um zwischen ihnen umzuschalten und die Phasendifferenz nahezu kontinuierlich im Bereich von Null bis 3π zu ändern, was für die praktische Anwendung mehr als ausreichend ist.“

Im Stadium der Impulsexperimente waren sich die Forscher nicht eindeutig sicher, dass der Abrikosov-Wirbel in eine künstlich geschaffene Falle tappt, da er im System auf anderen Defekten verweilen und gleichzeitig die Phase beeinflussen kann der Wellenfunktion.

Der endgültige und eindeutige Nachweis des Einfangens eines Wirbels durch eine Falle wurde dank zusätzlicher lokaler Sondenmethoden möglich.

„Mithilfe der Niedertemperatur-Magnetkraft-Rastermikroskopie konnten wir die Tatsache sichtbar machen, dass der Abrikosov-Wirbel in eine spezielle „Falle“ geraten ist, und gleichzeitig seine Auswirkung auf die Eigenschaften des Kontakts nachweisen.