>> چین با ساخت آهنربای ۴۲.۰۲ تسلا، رکورد میدان مغناطیسی را شکست >> تیم پژوهشگاه میدان مغناطیسی بالا چین با بلندپروازی é، آهنربای مقاومتی با میدان مغناطیسی پایدار ۴۲.۰۲ تسلا را تحقیق کرد. این مقدار بیش از ۸۰۰ هزار میدان מגנטי زمین است وá é مقدار ۴۱.۴ تسلا که در سال ۲۰۱۷ توسط به ثبت رسیده بود، را فراتر رفت.
این آهنربا از سیمهای فلزی پیچیده ساخته شده و برای تولید میدان موردنیاز به دو í ۳۲.۳ مگاوات برق شده است. CHMFL، این موفقیت پس از تقریباً چهار سال در طراحی، مواد وفرآیند بهدست آمد. בשעה، ‑ HLD ‑‑, SHMFF ۲۰۱۹ NHMFL, ۴۵.۵ ; ۴۰‑‑ ‑ SHMFF ۵۵, , ‑ ‑ >> در ادامه، باید گفت که این دستاورد نه تنها یک رقم است، بلکه یک گام استراتژیک در مسیر توسعه فناوریهای است.
ت جالب در این پژوهش، بهینهسازی سیمهای فلزی با استفاده از الگوریتمهای هوش مصنوعی بود.
تیم SHMFF از شبیهسازیهای عددی پیشرفته برای کاهش گرمای تولیدی و افزایش کارآمدی استفاده کرد. این رویکرد، مصرف انرژی را بهطور قابلتوجهی کاهش داد، اگرچه همچنان ۳۲.۳ مگاوات برق لازم بود. در مقابل، آهنرباهای هیبریدی و ابررسانای جدید، در حال توسعه هستند، هنوز به پایداری و قابلیت تکرار آهنرباهای مقاومتی نرسیدهاند.
به عنوان مثال، آهنربای ابررسانی ۴۵.۵ تسلا که در سال ۲۰۱۹ توسط NHMFL ساخته شد، فقط برای چند ثانیه میدان را حفظ کرد، در حالی که آهنربای چینی ۴۲.۰۲ تسلا برای ساعاتی پایدار ماند.
محققان کمبریج تأکید میکنند که بدون میدانهای مغناطیسی پایدار و قوی، بسیاری از پدیدههای نمیتوانند مشاهده شوند. به همین دلیل، سرمایهگذاری در بهبود آهنرباهای مقاومتی، نه صرفاً یک رقابت علمی است، بلکه یک نیاز استراتژیک برای پیشبرد دانش پایه است. چین، با این رکورد، نه تنها خود را در صدر پژوهشهای میدان مغناطیسی قرار داده، بلکه یک معیار جدید برای جهانی تعیین کرده.
در پایان، که این موفقیت، نتیجه همکاری بین فیزیکدانان، مهندسان برق، متخصصان مواد و متخصصان هوش مصنوعی بوده است. بدون این ترکیب، رسیدن به ۴۲.۰۲ تسلا ممکن نبود. امید است که این پیشرفت، الهامبخش برای تیمهای تحقیقاتی در سراسر جهان شود و به سرعت، آهنرباهای قویتر، پایدارتر و کارآمدتر را به وجود آورد. چالش بعدی، کاهش هزینه انرژی و افزایش دسترسی به این فناوری برای محققان ال است.
در ادامه بحث درباره اهمیت این دستاورد، باید به نکات فنی و عملیاتی که به این رکورد منجر شد، پرداخته شود. تیم SHMFF نه تنها بر روی افزایش میدان مغناطیسی متمرکز بود، بلکه بهطور همزمان سعی کرد تا پایداری میدان را به حداقل یک ساعت افزایش دهد، که برای بسیاری از آزمایشهای حساس، ضروری است. این پایداری، از طریق بهبود سیستم خنکسازی آب و بهینهسازی جریان الکتریکی در سیمهای پیچیده فلزی حاصل شد.
یکی از چالشهای اصلی در ساخت آهنرباهای مقاومتی با میدان بالا، مدیریت گرما است. هر وات برق که در سیم میرود، بخشی از آن به صورت گرما میشود و اگر این گرما بهطور مؤثر خنک نشود، سیم میتواند دما بگیرد و مقاومت آن افزایش یابد، که در نهایت میدان مغناطیسی را تضعیف میکند. برای مقابله با این مشکل، مهندسان SHMFF از یک سیستم خنکسازی چندمرحلهای استفاده کردند که شامل آب د، با سرعت بالا و استفاده از مواد با هدایت حرارت بالا بود.
علاوه بر این، سیمهای استفاده شده در این آهنربا، از یک آلیاژ مخصوص مس و نقره ساخته شده بود که نه تنها مقاومت الکتریکی کم داشت، بلکه تحت میدانهای مغناطیسی قوی، تغییرات ساختاری را نیز به حداقل میرساند. این é، پس از سالهای آزمایش و خطا، توسط تیم مواد SHMFF توسعه یافت و یک کلید اصلی در رسیدن به ۴۲.۰۲ تسلا بود. از نظر یک، ۳۲.۳ مگاوات برق معادل مصرف ۲۵,۰۰۰ خانه در یک ساعت است.
این رقم نشان میدهد که چرا استفاده از چنین آهنرباهاً محدود به های تحقیقاتی با زیرساختهای قدرتمند است. اما تیم SHMFF تأکید میکند که این هزینه، بهنظر میرسد، بهدلیل ارزش علمی و فناوریای که ایجاد میکند، است. در مقایسه با آهنرباهای هیبریدی که سعی دارند با استفاده از بخش ابررسانی، برق را کاهش دهند، آهنربای مقاومتی چینی مزیت داشتن زمان پاسخ سریع و تنظیم آسان میدان را دارد.
این ویژگی، در آزمایشهایی که نیاز به تغییرات سریع میدان دارند (مثلاً در مطالعه دینامیک سبین)، فوقالعاده ارزشمند است. به همین دلیل، بسیاری از در اروپا و آمریکا، از داشتن دسترسی به آهنرباهای ابررسانی، همچنان برای برخی آزمایشها، به آهنرباهای مقاومتی مراجعه میکنند. SHMFF امیدوار است که با انتشار نتایج این پژوهش، همکاریهای بینالمللی در این زمینه افزایش یابد.
در بخش بعد، میخواهیم به کاربردهای عملی این میدان مغناطیسی قوی در صنایع مختلف بپردازیم، از جمله در تولید مواد پیشرفته، تشخیص پزشکی و حتی در فضایی. در ادامه، به کاربردهای عملی این میدان مغناطیسی ۴۲.۰۲ تسلا در صنایع و فناوریهای پیشرفته میپردازیم. یکی از مهمترین کاربردها، در زمینه ابررسانای دما (HTS) است.
محققان برای درک دقیق مکانیزم ابررسانی در مواد مانند و، نیاز به میدانهای مغناطیسی بسیار قوی دارند تا حالتهای éیک غیرعادی را تحت فشار میدان بسنجند. با میدان ۴۲.۰۲ تسلا، میتوان پدیدههای مثل سبین و ناهمگونی را با وضوح غیرممکن قبلی مشاهده کرد. در زمینه مواد نانو، این میدان اجازه میدهد تا رفتار الکترونها در لبههای مواد و گرافن تحت تأثیر سبین- دقیق بررسی شود.
در حوزه پزشکی، اگرچه MRIهای íیکی ۳ تسلا، اما پژوهشهای پیشرفته برای تشخیص و، نیاز به فیلدهای ۷ تسلا و بالاتر دارند. میدان ۴۲.۰۲ تسلا، اگرچه برای استفاده íیکی مستقیم نیست، اما بهعنوان یک ابزار تحقیق، اجازه میدهد تا و تحت شرایط میدان قوی، جدیدی را برای بیماریهای کشف کنند. در زمینه فضا و هوافضا، میدانهای مغناطیسی قوی برای شبیهسازی شرایط مناجم و استفاده میشوند.
فیزیکدانان نظری میتوانند با ایجاد چنین میدانهایی در، رفتار در را کنند و مدلهای خود را تأیید یا اصلاح کنند. علاوه بر این، در تولید پیشرفته، برای بررسی رفتار حاملهای در ترانزیستورهای نانو اسکالا تحت میدان مغناطیسی قوی، این ابزارها ضروری هستند. به عنوان مثال، در مطالعه تأثیر کوانتومی در مواد دو بعدی مانند مولیبدن دیسولفید، میدان ۴۲.۰۲ تسلا اجازه میدهد تا پلاتوهای کوانتومی با دقت غیرممکن قبلی اندازهگیری شوند.
منظور از این همه کاربردها، این است که یک آهنربای مقاومتی با میدان ۴۲.۰۲ تسلا، نه تنها یک ابزار فیزیک است، بلکه یک پلتفرم است که میتواند پیشرفت در زمینههای مختلف علم و فناوری را شتاب دهد.
در بخش بعد، به چالشهای آینده و مسیرهای توسعه آهنرباهای قویتر، از جمله هدف ۵۰ تسلا و بالاتر، میپردازیم و بررسی میکنیم که چه فناوریهای جدیدی (مثلاً مواد سوپرینگ جدید، طراحیهای هندسی پیشرفته یا استفاده از هوش مصنوعی در بهینهسازی سیم) میتوانند به این هدف دست یابند. در ادامه، به چالشهای آینده و مسیرهای توسعه آهنرباهای قویتر میپردازیم.
شکستن رکورد ۴۲.۰۲ تسلا، نه پایان مسیر است، بلکه یک گام é در راه رسیدن به میدانهای ۵۰ تسلا و بالاتر است. تیم SHMFF در حال حاضر بر روی طراحی یک آهنربای هیبریدی ۵۵ تسلا کار میکند که سعی دارد از مزایای هر دو تکنولوژی مقاومتی و ابررسانی بهره ببرد. در این طراحی هیبریدی، بخش é (مقاومتی) برای تولید بخش پایدار و سریع- میدان استفاده میشود و بخش (ابررسانی) برای افزایش مقدار میدان بدون افزودن زیاد به مصرف انرژی به کار میرود.
این ترکیب، امیدوار است تا بهدلیل کاهش گرمای تولیدی در بخش é، کارایی کلی را افزایش دهد. اما چالش اصلی در رسیدن به ۵۵ تسلا، مدیریت گرمای در بخش é است. با افزایش میدان، نیروی لوRENTZ بر سیمها افزایش مییابد و این میتواند به ارتعاشات مکانیکی و حتی آسیب به سیم منجر شود.
برای مقابله با این مشکل، مهندسان SHMFF از تکنیکهای پیشرفتهٔ لفاف سیم (مثلاً لفافهای دوزای متغیر و الگوهای ) و استفاده از مواد با حد کشش بالا (مثلاً فولادهای مخصوص یا کامپوزیتهای کربن) استفاده میکنند.
علاوه بر این، برای بهبود بخش ابررسانی، تیم SHMFF در حال بررسی و تست مواد ابررسانی جدید است که نه تنها دماهای عمل بالاتر داشته باشند (که نیاز به خنکسازی کمتر داشته باشند)، بلکه تحت میدانهای مغناطیسی قوی، جریان بحرانی بالاتری داشته باشند. مواد مانند هیدریدهای لاننتان و با خاص، در حال بررسی هستند.
از نظر هوش مصنوعی، تیم CHMFL ازتمهای بهینهسازی مبتنی بر یادگیری تقویتی استفاده میکند تا شکل لفاف سیم، توزیع جریان و حتی مواد استفاده شده را بهطور دینامیک تنظیم کند. این الگوریتمها، شبیهسازیهای عددی را با دادههای آزمایشی ترکیب میکنند و در هر تکرار، را به سمت هدف (میدان á با حداقل گرمای تولیدی و حداکثر پایداری) پیش میبرند. در، تیمهای بینالمللی مانند NHMFL در ایالات متحده و در فرانسه نیز در حال پیگیری هستند.
رقابت دوستانه این تیمها، بهطور کلی، سرعت پیشرفت در این حوزه را افزایش داده و به اشتراکگذاری دانش و تکنیکها انجام داده است. در پایان، باید گفت که هر تسلا اضافی در میدان مغناطیسی، نه تنها یک رقم است، بلکه یک دروازه به درک عمیقتر جهان است. با هر بهبود در این آهنرباها، محققان به امکانات جدیدی برای کشف مواد جدید، پدیدههای ظاهری و حتی درک بهتر جهان ه دست مییابند.
امید است که این پیشرفتهای چینی، نه تنها بهعنوان یک رکورد ثبت شود، بلکه بهعنوان یک انگیز برای پژوهشگران در سراسر جهان عمل کند و به سرعت، میدانهای مغناطیسی ۶۰ تسلا و بالاتر را به دسترسی محققان تبدیل کند. در ادامه، به بررسی عمیقتر اثرات محیطی و اقتصادی ساخت و میپردازیم، چرا که این جنبهها برای پایداری بلندمدت پروژههای تحقیقاتی حیاتی است.
آهنربای مقاومتی با مصرف ۳۲.۳ مگاوات برق، در هر ساعت کار، حدود ۲۸,۴۵۰ انرژی مصرف میکند. بر اساس متوسط قیمت برق در چین (حدود ۰.۰۶ دلار بر )، هزینه انرژی در هر ساعت کار حدود ۱,۷۰۷ دلار است. این رقم، برای یک آزمایش که ممکن است چندین روز یا هفته طول بکشد، قابل توجه است. با این حال، تیم SHMFF تأکید میکند که این هزینه، با توجه به نتایج علمی که تولید میشود، است.
به عنوان مثال، یک مقاله پیشرو در که با استفاده از این آهنربا تولید شده، میتواند ó در های و همکاریهای صنعتی جذب کند. در بسیاری از موارد، دانش و فناوریای که از این آزمایشها بهدست میآید، در صنایع مانند، داروسازی و انرژی، بهدست میآید و بازدهی اقتصادی آن از نظر محیطی، اگر برق مصرفی از منابع تولید شود، انبعاثات مربوط به هر ساعت کار این آهنربا میتواند حدود ۱۲,۰۰۰ معادل باشد (بر اساس متوسط انبعاثات شبکه برق چین).
اما SHMFF در حال مذاکره با شرکتهای برق برای تأمین انرژی از منابع تجدیدپذیر (مثلاً باد و خورشید) است، تا این أثار را کاهش دهد. در برخی محطات آزمایشی، بالفعل از انرژیهای سبز برای تغذیه آهنرباهای کممصرف استفاده میشود و هدف، گسترش این استفاده به آهنرباهای قویتر است. علاوه بر این، تیم CHMFL در حال توسعه یک مدل محاسباتی است که به تخمین مصرف انرژی و انبعاثات مرتبط با هر تنظیمات میدان مغناطیسی میپردازد.
این مدل، به محققان اجازه میدهد تا آزمایشهای خود را بهگونهای طراحی کنند که هدف علمی را برآورده کنند و أثار محیطی را به حداقل برسانند. در بخش بعد، به نگاه آیندهای به این حوزه میپردازیم و بررسی میکنیم که چگونه فناوریهای نوظهور مانند ó النووی، è و ارتباطات کوانتومی میتوانند از پیشرفتهای در زمینه میدانهای مغناطیسی قوی éé
