Les physiciens de l'Université de Houston rapportent avoir trouvé des failles théoriques majeures dans la compréhension généralement acceptée de la façon dont un supraconducteur piège et retient un champ magnétique. Il y a plus de 50 ans, CP Bean, un scientifique de General Electric, a développé une explication théorique connue sous le nom de ‘Bean Model’ ou ‘Critical State Model’.
La propriété fondamentale des supraconducteurs est qu'ils représentent une ‘résistance’ nulle aux circuits électriques. D'une certaine manière, ils sont à l'opposé des grille-pain, qui résistent aux courants électriques et convertissent ainsi l'énergie en chaleur. Les supraconducteurs ne consomment aucune énergie et peuvent la stocker pendant une longue période. Ceux qui stockent l'énergie magnétique – connus sous le nom d'’aimants à champ piégé’ ou TFM – peuvent se comporter comme un aimant.
Dans le Journal of Applied Physics , d'AIP Publishing, les chercheurs décrivent des expériences dont les résultats ont présenté des ‘écarts significatifs’ par rapport à ceux du modèle d'état critique. Ils ont révélé de nouveaux comportements inattendus favorables aux applications pratiques, y compris la possibilité d'utiliser les TFM de multiples façons nouvelles.
Une grande partie de la technologie moderne est déjà basée sur des aimants. ‘Sans aimants, nous manquerions de générateurs [lampes électriques et grille-pain], de moteurs [alimentation en eau municipale, moteurs de navires], de magnétrons [fours à micro-ondes], et bien plus encore’, a déclaré Roy Weinstein, auteur principal de l'étude et professeur de professeur émérite de physique et chercheur à l'Université de Houston.
Généralement, les performances d'un dispositif à base d'aimants s'améliorent lorsque la force de l'aimant augmente, jusqu'au carré de l'augmentation. En d'autres termes, si un aimant est 25 fois plus puissant, les performances de l'appareil peuvent aller de 25 à 625 fois mieux.
Les TFM sont clairement intrigants, mais leur utilisation a été largement freinée par le défi d'amener le champ magnétique dans le supraconducteur. ‘Un problème plus facile à résoudre est la nécessité de refroidir le supraconducteur à la basse température à laquelle il supraconducteur’, a expliqué Weinstein.
‘Bean a supposé que le supraconducteur avait une résistance nulle et que les lois fondamentales de l'électromagnétisme, développées vers 1850, étaient correctes’, a déclaré Weinstein. ‘Et il a pu prédire comment et où un champ magnétique externe entrerait dans un supraconducteur.’
La méthode largement utilisée aujourd'hui consiste à appliquer un champ magnétique à un supraconducteur via un aimant à champ pulsé après le refroidissement du supraconducteur. Le modèle de Bean a prédit, et jusqu'à présent les expériences ont confirmé, que pour pousser autant de champ magnétique que possible dans un supraconducteur, le champ pulsé doit être au moins deux fois plus fort, et plus généralement plus de 3,2 fois plus fort, que le champ résultant du TFM .
Mais cela limite considérablement l'applicabilité des TFM. ‘Il est difficile et coûteux de produire des champs de plus de 12 tesla’, a déclaré Weinstein. ‘Si la théorie de Bean était vraie, cette barrière de coût et de praticité limiterait les TFM utilisés dans les produits à un maximum de 3,75 tesla en général.’
Des problèmes mineurs avec le modèle d'état critique de Bean sont apparus peu de temps après sa publication, selon Weinstein. Toute faille dans l'armure théorique mérite une expérience exploratoire, et c'est ce qui a motivé Weinstein et ses collègues.
Ils ont découvert que pour certaines contraintes sur une impulsion magnétique, le modèle de Bean est loin de la base et qu'une distribution spatiale du champ significativement différente se produit. ‘De grandes augmentations de champ se produisent soudainement, en un seul saut, alors que le modèle de Bean prédit une augmentation régulière et lente’, a déclaré Weinstein.
Tous ces nouveaux comportements inattendus sont reproductibles et contrôlables. ‘Le plus encourageant est que nous pouvons désormais produire des TFM à pleine puissance avec une force d'impulsion 1,0 fois supérieure à celle du TFM’, a-t-il ajouté.
‘En utilisant nos méthodes nouvellement découvertes, le champ TFM maximal est maintenant de 12 tesla’, a déclaré Weinstein. ‘Un moteur, s'il est fabriqué dans une taille fixe, peut produire 3,2 fois le couple. Alternativement, le moteur peut être conçu pour produire la même quantité de couple, mais avoir son volume réduit de plus de 10 fois. Cette réduction des matériaux peut entraîner d'importantes économies de coûts.
Les chercheurs en sont encore aux « premiers jours » de ces travaux et ont déjà réfuté leurs premières réflexions concernant la cause de leurs résultats. ‘Nous sommes maintenant en train de faire de la spéléologie dans une grotte sombre sans lumières – c'est frustrant, mais excitant’, a déclaré Weinstein.
En termes d'applications pour leur découverte, les chercheurs suggèrent la possibilité de remplacer un aimant supraconducteur à basse température de 100 000 $ dans une machine à rayons X de recherche par un TFM de 300 $, ou éventuellement de remplacer un moteur par un qui fait le quart de la taille d'un existant. Il existe de nombreuses autres applications potentielles, telles qu'un séparateur de minerai économe en énergie, des engrenages magnétiques sans contact qui ne s'usent pas et ne nécessitent pas de réparation, un séparateur de sang rouge avec un rendement amélioré de 50 % et même un système d'amarrage automatisé pour les engins spatiaux.
Weinstein et ses collègues recherchent maintenant un soutien rapide et à court terme qui leur permettra de poursuivre leurs recherches pour expliquer ce nouveau phénomène. ‘Bien que nous en sachions maintenant assez pour appliquer notre nouvelle découverte afin d'améliorer considérablement un grand nombre d'appareils, nous ne savons pas encore exactement ce qui se passe en termes de lois fondamentales de la physique’, a-t-il noté.