Ученые разработали самый сильный в мире сверхпроводящий магнит на основе железа с помощью искусственного интеллекта, что может стать прорывом для доступных аппаратов МРТ и будущего электрифицированного транспорта.
Сверхпроводящие магниты способны создавать очень сильные и стабильные магнитные поля без необходимости использования большого количества энергии. Это означает, что их можно использовать в ряде технологий, включая аппараты МРТ, которым требуется сильное магнитное поле для получения четких трехмерных изображений мягких тканей. Их также можно использовать в транспорте следующего поколения, включая систему поездов SCMaglev в Японии.
Однако в настоящее время используемые сверхпроводники в основном представляют собой большие катушки из сверхпроводящей проволоки из сплава ниобия и олова. Устройства, использующие их, должны соответствовать этому размеру, что может ограничить их применение.
В статье, опубликованной в журнале NPG Asia Materials , исследователи из Королевского колледжа Лондона и Японии изготовили дешевый и мощный сверхпроводящий магнит на основе железа с помощью машинного обучения (ML), открыв путь к широкому и доступному использованию этой технологии.
Доктор Марк Эйнсли из Королевского инженерного департамента сотрудничал в этой работе с исследователями из Токийского университета сельского хозяйства и технологий, Японского агентства науки и технологий, Национального института материаловедения и Университета Кюсю.
Доктор Марк Эйнсли сказал: «Сверхпроводящие магниты — это основа будущего. Они не только используются для визуализации рака с помощью аппаратов МРТ, но и будут иметь жизненно важное значение для электрических самолетов и ядерного синтеза.
«Однако материалы и технологии, необходимые для создания традиционных сверхпроводников на основе меди, обычно дороги, что приводит к ограниченному проникновению на рынок. Использование их в массовом виде в качестве магнита, который не теряет своего магнетизма после намагничивания, может привести к занимает меньшую площадь по сравнению с более тяжелыми катушками с проводом, но изготовление объемных сверхпроводников на основе меди может занять недели.
«Используя искусственный интеллект (ИИ), мы создали экономически эффективную и масштабируемую альтернативу с использованием железа, с которой намного проще работать и которая открывает двери для устройств меньшего и легкого веса. Первые сверхпроводники на основе железа были созданы 10 лет назад, но создаваемые ими магнитные поля были далеко не достаточно сильными и стабильными для широкого использования.
«Хотя для эффективной работы сверхпроводящие магниты по-прежнему необходимо охлаждать до очень низких температур, наш процесс закладывает основу для производителей, которые смогут производить их быстро и достаточно мощно для промышленного применения, то есть больше аппаратов МРТ по более низкой цене.
«Уменьшая потребность в большом количестве сверхпроводящих проводов в аппаратах МРТ, мы также можем создать новое поколение меньших устройств, которые можно будет использовать в кабинете врача общей практики, вместо того, чтобы требовать больших помещений в больницах, расширяя доступность».
К аппаратам МРТ предъявляются строгие требования к силе и стабильности магнитного поля , создаваемого их магнитами, чтобы обеспечить безопасность пациента и качество изображения. Прототип исследователей — первый объемный сверхпроводник на основе железа, отвечающий этим требованиям.
Используя новую систему машинного обучения под названием BOXVIA , ученые разработали структуру, которая может оптимизировать создание сверхпроводников в лаборатории быстрее, чем когда-либо прежде.
Обученная попытками исследователей улучшить сверхпроводящие свойства магнитов путем изменения таких параметров, как тепло и время в процессе изготовления, BOXVIA определяет закономерности, которые улучшают производительность, и точно настраивает изменения параметров, чтобы найти наиболее оптимальную конструкцию. Обычно исследователям потребовались бы месяцы, чтобы создать каждый магнит и протестировать его свойства, чтобы оптимизировать его для различных сценариев, но новое программное обеспечение значительно сокращает время.
Исследователи также обнаружили, что сверхпроводящие магниты, разработанные с помощью этой системы ML, имели другую структуру на микроскопическом уровне , чем те, которые были произведены без BOXVIA, с более крупными кристаллами на основе железа внутри магнитной структуры.
Структура образцов, созданных ИИ, отличалась от высокопроизводительных образцов, созданных людьми. Эти образцы имели широкий диапазон размеров кристаллов на основе железа, в отличие от однородной структуры, которую традиционно предпочитают исследователи-люди.
Следующая задача команды — выяснить, как эта невиданная ранее наноструктура способствует достижению превосходных сверхпроводящих свойств, которые в будущем приведут к созданию еще более мощных магнитов.
