What is superconductivity?

 

Discovered in 1911 by the physicist Heike Kammerlingh Onnes, the phenomenon of superconductivity never ceases to intrigue. Levitation experiments, vehicles of the future… but how does it work? Explanation…

When we talk about superconductivity, we are talking about materials that conduct the electric current: conducting materials. These slow down the passage of the electric current, this is called resistance. These slow down the passage of the electric current and generate large losses of energy in thermal form known as “Joule effect losses”, this is called the electric resistance.

 

Reducing electrical resistance is a real environmental and economic challenge, and the applications of superconductivity are therefore strategic.

Under the ParisAgreement, the European Union and all its countries have committed to reducing greenhouse gas emissions by at least 55% by 2030 compared to 1990 levels. In order to meet these commitments, it is urgent to increase the share of electricity produced by renewable energies, which today represents only 20% of total consumption.

The reduction of the electrical resistance of materials, thanks to superconductivity, responds to this problem by limiting the losses in electrical networks, which leads to a better efficiency. As a result, the need for electricity production becomes lower, which leads to an increase in the share produced by renewable energies.

Similarly, the increased efficiency of the electrical network gained through superconductivity is a solution to the challenges faced by energy producers and distributors, who must maintain the economic viability of their business in the face of rising production and distribution costs. The reduction of electricity losses offsets these rising costs and helps maintain an affordable price for the end consumer.

Another advantage of superconductivity is that it allows the distribution of higher electrical power, as the size of the electrical wiring can be reduced by 60 to 75% at equivalent power. It is therefore possible to distribute more electrical power in constrained environments, without having to resort to construction work and therefore without impact on the existing environment (classified bridges, coastline, port areas, very dense urban areas, etc.). This high power distribution is also achieved without recourse to high voltage, as superconductivity allows the distribution of high electrical power, even at low voltage.

 

How does it work in practice in material?

Superconductivity is related to the quantum characteristics of matter.

Matter is made of atoms. An atom is composed of a positively charged nucleus and a cloud of negatively charged electrons. The electrons, attracted by the nucleus and repelling each other, gravitate around the nucleus.

In the material, the electrons, jumping from one atom to another, create a little dance. It is the movement of the electrons that forms the electric current. During this dance, the electrons collide, slow down and lose energy which is transformed into heat: this is the electric resistance.

Cryogenics allows to reach negative temperatures (from -140°C to -273°C or from 133K to some milli Kelvin) which affect the resistance of some materials called superconductors.

The dance of the atoms is then slowed down and the electrons associate themselves in pair: the Cooper pair. These pairs dance with other pairs, their movements are synchronized forming a large wave called collective wave. There is then no more electrical resistance.

Some materials cooled to very low temperature acquire the ability to conduct perfectly (ie. without electrical resistance) an electric current, this is the state superconductor:

• No resistance to the passage of an electric current, there is no dissipation of energy by Joule effect.
• The outer magnetic field remains on its surface: this is the Meissner effect.

 

Throughout the twentieth century, new materials have been discovered with superconducting properties at higher and higher temperatures; the Holy Grail of researchers is to obtain superconducting materials at room temperature to avoid using cryogenic systems.

As a reminder, superconductivity, historically discovered in 1911 and commonly referred to as “conventional superconductivity”, occurs at very low temperatures, close to absolute zero (-273.15 °C). But in 1986, “high critical temperature superconductors”, also called “non-conventional superconductors”, were discovered and exhibit superconducting properties at much higher temperatures. Thus, the critical temperature of superconductors rose to 92K (-181°C), above the temperature of liquid nitrogen at 77 K (-196°C).

 

Superconductivity at Absolut System

Thanks to its expertise in cryogenics, Absolut System ensures the supply of cold with efficient cooling systems to accompany the implementation of superconducting facilities.

Originally used in scientific research, such as particle acceleration, quantum computing or medical imaging, superconductivity is also applied to many fields allowing us to reduce our carbon footprint.

Indeed, for many years, it has been used in a multitude of research and development fields, such as nuclear fusion by magnetic confinement (tokamak), high-power superconducting generators/motors… opening the way to the decarbonization of heavy mobility by allowing to increase the efficiency of the electric propulsion.

The recent increase (in the last 30 years) of the capacities of the so-called “high temperature” superconducting materials in front of the so-called “low temperature” materials generates today a certain revival of interest for all the above-mentioned applications.

A last recent line of work concerns the mutualization of energy transport in a superconducting cable cooled with liquid hydrogen (mutualized transport of large quantities of current and hydrogen in liquid form).

Absolut System is one of 15 partners in the SCARLET (“Superconducting cables for sustainable energy transition”) project to design and industrially manufacture superconducting cables to enable more efficient and cost-effective transmission of electrical energy from renewable power generation sites.

 

“Thanks to Absolut System’s foundation in the cryogenics market, and its many partners and projects, I have the opportunity to develop solutions for superconducting materials and systems. We are designing cooling systems for a multitude of applications that rely on superconductivity, including the next generation of aircraft electric motors, large scale power transmission cables. This is an ever-evolving field of engineering that I’m excited to be a part of.” Joseph Glass, Superconductivity Design Engineer at Absolut System

 

Qu’est-ce que la supraconductivité ?

 

Découvert en 1911 par le physicien Heike Kammerlingh Onnes, le phénomène de #supraconductivité n’en finit pas d’intriguer. Expérience de lévitation, véhicules du futur… mais comment ça marche ? Explication…

Quand on parle de supraconductivité, on parle des matériaux qui conduisent le #courant électrique : les matériaux conducteurs. Ces derniers ralentissent le passage du courant électrique et engendrent de grosses pertes d’énergie sous forme thermique connues sous le nom de « pertes par effet Joule », c’est ce qui s’appelle la résistance électrique.

 

Réduire la résistance électrique est un véritable enjeu environnemental et économique, les applications de la supraconductivité étant par conséquent stratégiques.

Dans le cadre de l’Accord de Paris, l’Union Européenne et l’ensemble de ses pays se sont engagés à réduire les émissions de gaz à effet de serre d’au moins 55 % d’ici 2030 par rapport aux niveaux de 1990. Afin de tenir ces engagements, il est urgent d’augmenter la part d’électricité produite par les énergies renouvelables, qui représente aujourd’hui seulement 20% de la consommation totale.

La réduction de la résistance électrique des matériaux, grâce à la supraconductivité, répond à cette problématique en limitant les pertes dans les réseaux électriques, ce qui induit un meilleur rendement. De ce fait, le besoin de production d’électricité devient moins élevé, ce qui engendre une augmentation de la part produite par les énergies renouvelables.

De même, le gain de rendement du réseau électrique gagné au moyen de la supraconductivité est une solution aux enjeux des producteurs et distributeurs d’énergies, qui doivent maintenir la viabilité économique de leur activité face à l’augmentation des coûts de production et de distribution. La réduction des pertes d’électricité compense cette hausse des coûts et contribue à maintenir un prix abordable pour le consommateur final.

Autre avantage, la supraconductivité permet de distribuer une plus forte puissance électrique, la taille du câblage électrique pouvant être réduit de 60 à 75% à puissance équivalente. Il est donc possible de distribuer une plus grande puissance électrique dans des environnements contraignants, sans avoir recours à des travaux d’aménagement et donc sans impact sur l’environnement existant (ponts d’ouvrage classés, littoral, zones portuaires, zones urbaines très denses…). Cette distribution de forte puissance est également réalisée sans recours à la haute tension, la supraconductivité permettant de distribuer de fortes puissances électriques, et ce, même à faible tension.

 

Concrètement comment ça se passe dans la matière ?

La supraconductivité est liée aux caractéristiques quantiques de la matière.

La matière est constituée d’atomes. Un atome est composé d’un noyau chargé positivement et d’un nuage d’électrons chargés négativement. Les électrons, attirés par le noyau et se repoussant entre eux, gravitent autour du noyau.

Dans le matériau, les électrons, sautant d’un atome à l’autre, créent alors une petite danse. C’est le déplacement des électrons qui forme le courant électrique. Lors de cette danse, les électrons s’entrechoquent, ralentissent et perdent de l’énergie qui se transforme en chaleur : c’est la résistance électrique.

La cryogénie permet d’atteindre des températures négatives (de -140°C à -273°C ou de 133K à quelques milli Kelvin) qui affectent la résistance de certains matériaux dit supraconducteurs.

La danse des atomes est alors ralentie et les électrons s’associent en paire : la paire de Cooper. Ces paires dansent avec d’autres paires, leurs mouvements se synchronisent formant une grande onde appelée onde collective. Il n’y a alors plus de résistance électrique.

Certains matériaux refroidis à très basse température acquièrent la capacité de conduire parfaitement (ie. sans résistance électrique) un courant électrique, c’est l’état supraconducteur :

• Aucune résistance au passage d’un courant électrique, il n’y a pas de dissipation d’énergie par #effet Joule.
• Le #champ magnétique extérieur reste à sa surface : c’est l’#effet Meissner.

Tout au long du XXème siècle, de nouveaux matériaux ont été découverts ayant des propriétés supraconductrices a des températures de plus en plus élevées ; le Graal des chercheurs étant l’obtention de matériaux supraconducteurs à température ambiante afin d’éviter d’utiliser des systèmes cryogéniques.

Pour rappel, la supraconductivité découverte historiquement en 1911, et que l’on nomme communément « supraconductivité conventionnelle », se manifeste à des températures très basses, proches du zéro absolu (-273,15 °C). Mais, en 1986, les « supraconducteurs à haute température critique », dits également « les supraconducteurs non-conventionnels », ont été découverts et présentent des propriétés supraconductrices à des températures bien plus élevées. Ainsi, la température critique des supraconducteurs est montée à 92K (- 181°C), au-dessus de la température de l’azote liquide à 77 K (-196°C).

 

La supraconductivité chez Absolut System

Grâce à son expertise en cryogénie, Absolut System assure l’approvisionnement en froid avec des systèmes de refroidissement performants afin d’accompagner la mise en place d’installations supraconductrices.

Originellement utilisée dans la recherche scientifique, telle que l’accélération de particules, le numérique quantique ou l’imagerie médicale, la supraconductivité s’applique également à de nombreux domaines permettant de diminuer notre empreinte carbone.

En effet, depuis de nombreuses années, elle intervient dans une multitude de domaines de recherche et développement, comme la fusion nucléaire par confinement magnétique (tokamak), les générateurs/moteurs supraconducteurs de fortes puissances… ouvrant la voie vers la décarbonation de la mobilité lourde en permettant d’accroître l’efficacité de la propulsion électrique.

L’augmentation récente (ces 30 dernières années) des capacités des matériaux supraconducteurs dits à « haute température » devant les matériaux dits à « basse température » engendre aujourd’hui un regain d’intérêts certain pour toutes les applications précitées.

Un dernier axe de travail récent concerne la mutualisation du transport d’énergie dans un câble supraconducteur refroidi avec de l’hydrogène liquide (transport mutualisé de quantités importantes de courant et d’hydrogène sous forme liquide).

Absolut System fait partie des 15 partenaires réunis par le projet SCARLET (“Superconducting cables for sustainable energy transition”) afin de concevoir et de fabriquer industriellement des câbles supraconducteurs pour permettre de transporter l’énergie électrique de manière plus efficace et rentable à partir de sites de production d’électricité renouvelable.

 

« Grâce à l’assise d’Absolut System sur le marché de la cryogénie, et à ses nombreux partenaires et projets, j’ai l’opportunité de développer des solutions concernant les matériaux et systèmes supraconducteurs. Nous concevons des systèmes de refroidissement pour une multitude d’applications reposant sur la supraconductivité, notamment la prochaine génération de moteurs électriques d’avion, les câbles de transport d’électricité à grande échelle. C’est un domaine de l’ingénierie en constante évolution dont je suis heureux de faire partie. » Joseph Glass, Ingénieur Etudes Supraconductivité chez Absolut System