في الآونة الأخيرة، عملاق الضوئيات الولايات المتحدةمتماسكووقعت شركة فاراداي 1867 القابضة اليابانية خطاب نوايا (LOI) بهدف توسيع نطاق تصنيعالموصلية الفائقة لدرجة الحرارة العالية(HTS) للاستخدام على نطاق واسع في النشر على نطاق واسع لمفاعلات الاندماج، وكذلك للمساعدة في دفع التحول إلى الطاقة الخضراء. تعد أشعة الليزر المثيرة من Coherent في هذا التعاون بتطبيقات أوسع.
في العقد الماضي، أدى التطور السريع للطاقة الخالية من الكربون إلى تقدم في أجهزة التوكاماك، في حين أدى أيضًا إلى زيادة الطلب على الأشرطة المغناطيسية فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية. الأشرطة المغناطيسية فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية، وهي تقنية رئيسية في تصنيع مغناطيسات كهربائية فائقة القوة، لها تطبيقها الأساسي في مفاعلات الاندماج الحبس المغناطيسي لحصر البلازما والتحكم فيها. ومن الجدير بالذكر أن شركة Faraday Factory Japan LLC، وهي شركة يابانية تابعة لشركة Faraday 1867 Holdings، برزت كشركة مصنعة رائدة عالميًا للأشرطة المغناطيسية فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية (HTS).
أعطى ليزر LEAP excimer من Coherent، وهو منتج ترسيب ليزر نبضي متوافق مع معايير الصناعة، دفعة كبيرة لعملية تصنيع الأشرطة فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية.
تعمل المجالات المغناطيسية على حصر البلازما المشحونة والتحكم فيها في جهاز توكاماك، وفقًا لشركة توكاماك للطاقة، وهي شركة بريطانية ناشئة في مجال الاندماج. تسمح هذه المجالات المغناطيسية القوية للبلازما بالتسخين إلى درجات حرارة أعلى من 100 مليون درجة مئوية، وهي العتبة اللازمة للاندماج النووي ليصبح مصدرًا للطاقة قابلاً للتطبيق تجاريًا. بعد ذلك، تسمح المغناطيسات القوية الموجودة في توكاماك الكروي بحجز أكثر إحكاما، مما يزيد من كثافة البلازما وقوتها مع تجنب الحاجة الباهظة الثمن إلى تبريد الهيليوم السائل.
يمكن توليد مجالات مغناطيسية قوية عن طريق تمرير تيارات عالية حول مجموعة من ملفات المغناطيس الكهربائي التي تحيط بالبلازما. يتم لف المغناطيسات بما تسميه شركة Tokamak Energy شريطًا مغناطيسيًا فائق التوصيل وذو درجة حرارة عالية.
التعامل مع الطلاءات الوظيفية
تقوم شركة Faraday Factory Japan LLC، وهي شركة تابعة لشركة Faraday 1867 Holdings، بإنتاج أشرطة فائقة التوصيل تتحمل درجات الحرارة العالية منذ عام 2012. ويشير خطاب النوايا المذكور أعلاه إلى استراتيجية المصنع الياباني لتلبية الطلب العالمي على أشرطة HTS، وتقول شركة Coherent أن الطلب على مثل هذه الأشرطة ومن المتوقع أن تنمو الأشرطة بمقدار عشرة أضعاف من الآن وحتى عام 2027.
تستخدم الشركة اليابانية الترسيب بمساعدة شعاع الأيونات (IBAD)، والترسيب بالليزر النبضي (PLD)، ورذاذ المغنطرون الفضي، والطلاء الكهروكيميائي النحاسي، والتي تتطلب العديد من خطوات التصنيع لصنع مثل هذه الأشرطة. ومن بين هذه الأساليب، يُعد الترسيب بالليزر النبضي (PLD) القائم على الإكسيمر طريقة الإنتاج الضخم الوحيدة التي أثبتت جدواها لإنشاء أفلام أكسيد نحاس الباريوم الأرضي النادر (REBCO) بالصفات المطلوبة لأشرطة HTS متعددة الطبقات.
"يعد ترسيب الليزر النبضي (PLD) أداة فعالة لإنتاج طلاءات وظيفية عالية الجودة،" يصف مصنع فاراداي على موقعه على الإنترنت. يتم إنشاء عملية الترسيب بواسطة عمود من أشعة الليزر يضرب هدفًا على شريط معدني بطبقة عازلة عند ارتفاع درجات الحرارة. مركبات HTS عبارة عن مواد أكسيدية معقدة، وتلعب طريقة PLD دورًا مهمًا في إنتاج طبقات فائقة التوصيل ذات درجة حرارة عالية مع تكوين وسمك وبنية مجهرية يتم التحكم فيها بإحكام.
ويقال إن خطاب النوايا الموقع مع Coherent يحدد استراتيجية لزيادة قدرات تصنيع الموصلات الفائقة في درجات الحرارة العالية باستخدام ليزر "LEAP" الخاص بالشركة.
وقال كوهيرنت إن ليزرات Coherent's LEAP excimer هي المعيار الصناعي للأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة لاستخدامها في تصنيع أشرطة HTS. عند 193 نانومتر، و248 نانومتر، و308 نانومتر، على التوالي، وتوفر قوى إخراج تصل إلى 300 واط. وهي قيد الاستخدام بالفعل في مجموعة من التطبيقات الصناعية، مثل رافعات الليزر لإنتاج شاشات LED وشاشات MicroLED العضوية.
ما وراء الانصهار
وقال كاي شميدت، نائب الرئيس الأول لوحدة أعمال الليزر Excimer في Coherent: "نحن نعلم أن الدول المشاركة في سباق طاقة الاندماج تعمل بجد لتسريع سلسلة التوريد للأشرطة فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية، والتي تنمو بآلاف الكيلومترات سنويًا، في من أجل الحفاظ على تقدم تكنولوجيا الاندماج للأمام بوتيرة سريعة."
من جانبه، أضاف سيرجي لي، المدير التمثيلي لمنشأة فاراداي في اليابان: "لقد عملنا مع فاراداي 1867 لأكثر من عقد من الزمن، وأشعة الليزر لدينا حريصة على لعب دور مهم في مرحلة تكثيف إنتاج أشرطة HTS . لا تقتصر مجالات تطبيق أشرطة HTS على مفاعلات الاندماج النووي- -فهي تشمل نقل الطاقة بدون فقدان، والطيران وسفن الحاويات الخالية من الكربون، وأنظمة الرنين المغناطيسي النووي الخالية من الهيليوم، وأنظمة دفع المركبات الفضائية المتقدمة، والمزيد. هذه التطبيقات تقود نمو سنوي مزدوج الرقم في سوق أشرطة HTS، لذا فإن الحاجة الملحة للاستثمار في قدرات تصنيع أشرطة HTS واضحة.
يعد شريط HTS أحد التقنيات الرئيسية لتصنيع مفاعلات الاندماج النووي ذات الحبس المغناطيسي مثل التوكاماك. تعتبر تصميمات توكاماك أبسط وأكثر إحكاما وأرخص تشغيلا من التقنيات السابقة. يمكن أن تعمل أشرطة HTS في درجات حرارة تصل إلى عشرات كلفن، مما يلغي الحاجة إلى أنظمة تبريد باهظة الثمن تعتمد على تكنولوجيا الهيليوم السائل غير المستدامة. ومن المتوقع أن تكون مفاعلات الاندماج بالحبس المغناطيسي قادرة في النهاية على توليد جيجاوات من الكهرباء الخالية من الكربون مع زيادة صافية تزيد عن 10 بالمائة، وبالتالي قد تلعب دورًا مهمًا في التحول العالمي إلى الطاقة الخضراء.
