In uw huis en kantoor, laagspanningswisselstroom (AC) voedt de lichten, computers en elektronische apparaten voor dagelijks gebruik. Maar wanneer de elektriciteit afkomstig is van afgelegen langeafstandsbronnen zoals waterkrachtcentrales of zonnecentrales, het transporteren als gelijkstroom (DC) is efficiënter - en het terug converteren naar wisselstroom vereist omvangrijke en dure schakelaars. Nu het bedrijf General Electric (GE), met hulp van wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), ontwikkelt een geavanceerde schakelaar die hoogspanningsgelijkstroom efficiënter omzet in hoogspanningswisselstroom voor consumenten, waardoor een voordelige overdracht van langeafstandsvermogen mogelijk is. Als laatste stap, onderstations langs de route reduceren de hoogspanningswisselstroom tot laagspanningsstroom voordat deze de consument bereikt.

GE test een buis gevuld met plasma - de geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en ionen die PPPL bestudeert om fusie-energie en een breed scala aan processen te begrijpen - die het bedrijf ontwikkelt als het conversieapparaat. De schakelaar moet jarenlang kunnen werken met een spanning van wel 300 kilovolt, zodat een enkele eenheid op een kosteneffectieve manier de assemblages van vermogenshalfgeleiderschakelaars kan vervangen die nu nodig zijn om tussen gelijk- en wisselstroom langs transmissielijnen om te zetten.

PPPL-modellen schakelen:

Aangezien het testen van een hoogspanningsplasmaschakelaar traag en duur is, GE heeft zich tot PPPL gewend om de schakelaar te modelleren om aan te tonen hoe de hoge stroom het heliumgas beïnvloedt dat het bedrijf in de buis gebruikt. De simulatie modelleerde de afbraak - of ionisatie - van het gas, het produceren van nieuw inzicht in de fysica van het proces, die wetenschappers rapporteerden in een paper dat in het tijdschrift werd aanvaard Plasmabronnen Wetenschap en technologie . De resultaten bouwden voort op een PPPL-paper uit 2017 gepubliceerd in het tijdschrift Fysica van plasma's die het effect van hoogspanningsdoorslag modelleerde zonder een analytische theorie te presenteren.

Eerder onderzoek heeft de afbraak van gassen bij lagere spanningen lang bestudeerd. Maar "GE heeft te maken met veel hogere spanning, " zei Igor Kaganovich, plaatsvervangend hoofd van de PPPL Theory Department en PPPL's ​​Low Temperature Plasma Laboratory en een co-auteur van de twee artikelen. "Het doorslagmechanisme bij lage druk en hoogspanning is slecht begrepen vanwege de noodzaak om nieuwe mechanismen voor gasionisatie bij hoge spanningen te overwegen, dat is wat we deden."

De bevindingen identificeerden drie verschillende afbraakregimes die belangrijk worden wanneer hoogspanning wordt gebruikt om helium in plasma te veranderen. In deze regimes elektronen, ionen en snelle neutrale atomen beginnen de afbraak door terugverstrooiing - of terugkaatsing - van de elektroden waardoor de stroom stroomt. Deze resultaten contrasteren sterk met de meeste eerdere modellen, die alleen rekening houden met de impact van elektronen op het ionisatieproces.

Bevindingen nuttig voor GE

De bevindingen bleken nuttig voor GE. "De mogelijke toepassingen van de gaswissel zijn afhankelijk van de maximaal mogelijke spanning, " zei GE-fysicus Timothy Sommerer, die het project leidt. "We hebben al experimenteel aangetoond dat een gaswissel op 100 kilovolt kan werken en we zijn nu bezig om te testen op 300 kilovolt. De resultaten van het PPPL-model zijn zowel wetenschappelijk interessant als gunstig voor het ontwerp van hoogspanningsgaswissels."