> Nuevos usos para los materiales y configuraciones HTS aprovechan sus altos campos magnéticos
La cinta superconductora de alta temperatura se muestra prometedora para una gran cantidad de aplicaciones. LABORATORIO NACIONAL DE BROOKHAVEN.
En 1911, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes sumergió un alambre de mercurio en helio líquido y notó que la resistencia eléctrica del alambre desaparecía. El cable se había convertido en un «superconductor».
Las temperaturas extremadamente bajas y las altas presiones necesarias para inducir la superconductividad limitaron su valor práctico durante décadas. Pero el descubrimiento en 1986 de la superconductividad de alta temperatura allanó el camino para aplicaciones más amplias.
“Temperatura alta” no es temperatura ambiente . Se refiere a materiales que se superconducen por encima de -195,79 °C, el punto de ebullición del nitrógeno líquido. Últimamente, nuevos materiales y configuraciones están aumentando las temperaturas a las que estos superconductores pueden operar, haciendo que sea más fácil trabajar con ellos. Esta nueva generación es especialmente apreciada por los altos campos magnéticos que pueden generar los materiales.
«Durante los últimos 15 años, el énfasis se ha desplazado hacia el uso [de estos materiales] menos como superconductores de alta temperatura y más como superconductores de alto campo», dice Venkat Selvamanickam, quien dirige el Centro de Investigación Aplicada del Centro de Superconductividad de Texas en el Universidad de Houston.
Es posible que algún día esos campos magnéticos elevados permitan la energía de fusión nuclear, sobre la cual escribí recientemente [ver “ Este reactor de fusión se mantiene unido con cinta adhesiva ”]. Pero los materiales podrían aparecer antes en una amplia gama de aplicaciones prácticas, incluida la energía eólica, el almacenamiento de energía y las máquinas de resonancia magnética nuclear. Aquí hay cinco usos emergentes para HTS que podrían transformar la vida cotidiana, si los ingenieros pueden resolver los problemas.
Almacen de energia
A diferencia de las baterías convencionales, que utilizan productos químicos para almacenar energía, el almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES, por sus siglas en inglés) utiliza un campo magnético creado por el flujo de corriente continua en una bobina de material superconductor. Una vez cargada la bobina, la energía se puede almacenar casi indefinidamente con poca o ninguna degradación, siempre que se mantenga el enfriamiento. La energía almacenada aumenta con el cuadrado del campo magnético, es decir, con cada duplicación de la intensidad del campo, el sistema puede almacenar cuatro veces más energía. Estos sistemas pueden liberar ráfagas de energía casi instantáneamente, por lo que podrían desempeñar un papel crucial en las redes de servicios públicos, los aceleradores de partículas y los sistemas industriales que respaldan procesos sensibles y de alta velocidad.
Los sistemas de almacenamiento híbridos que combinan la descarga ultrarrápida de las PYME con las mayores densidades de energía de las baterías son un área de investigación prometedora. Al igual que con otras aplicaciones HTS, el enfriamiento criogénico aumenta los costos, al igual que la necesidad de estructuras mecánicas fuertes para resistir las fuerzas de Lorentz generadas por y sobre las bobinas magnéticas.
Este dispositivo de almacenamiento de energía utiliza un campo magnético creado por el flujo de corriente continua en una bobina de material superconductor. LABORATORIO NACIONAL DE BROOKHAVEN.
PRUEBA DE CONCEPTO: Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Brookhaven y ABB construyó un sistema de almacenamiento de energía magnética utilizando HTS que logró un campo magnético de 12,5 tesla en 2014. Desde entonces, la investigación se ha retrasado debido al alto costo de los materiales.
Calentadores de inducción
Los procesos industriales que calientan lingotes de aluminio, forjan metales no ferrosos y funden aleaciones de alta calidad consumen mucha energía. Los calentadores de inducción HTS prometen reducir a la mitad el uso de energía, junto con las emisiones de gases de efecto invernadero.
Un calentador de inducción HTS que ahora se comercializará hace girar un lingote de metal dentro de un campo magnético para generar corrientes parásitas dentro del metal. Con el calentamiento por inducción convencional, estas corrientes tardan en penetrar el lingote. El fuerte campo magnético del sistema HTS aumenta la penetración para un calentamiento más rápido y uniforme.
PROYECTO A SEGUIR: A principios de este año, la empresa china Lianovation instaló el primer calentador de inducción HTS de nivel de megavatios del mundo en una instalación industrial en el noreste de China. Los métodos convencionales requerían al menos nueve horas para calentar un lingote de aluminio de 500 kilogramos de 20 °C a 403 °C. Con el nuevo calentador HTS, el proceso dura unos 10 minutos.
Aviación
El mayor desafío del uso de la propulsión eléctrica en la aviación es la relación potencia-peso: los sistemas eléctricos convencionales no pueden producir suficiente empuje sin sobrecargar el avión. Los materiales HTS ofrecen alta densidad de potencia y alta eficiencia en un paquete compacto y liviano. También podrían aligerar otros sistemas eléctricos, como los controles de vuelo, las comunicaciones y la electrónica de potencia. Para un vuelo seguro, los futuros aviones HTS necesitarán incorporar sistemas redundantes para contrarrestar la posibilidad de enfriamiento (la pérdida de magnetismo cuando se eleva la temperatura de un material HTS).
Airbus está trabajando en un motor eléctrico superconductor que utiliza hidrógeno líquido como refrigeración además de combustible. AEROBÚS
PROYECTO A SEGUIR: El proyecto ASCEND de Airbus tiene como objetivo demostrar un tren de potencia que incorpora motores superconductores y un sistema de refrigeración criogénico. Los cálculos sugieren que el sistema podría pesar entre un tercio y la mitad del peso de la propulsión de un avión eléctrico convencional, al tiempo que lograría una eficiencia del tren motriz del 97 por ciento. El concepto se basa en el uso de hidrógeno líquido como refrigerante y combustible. Airbus no ha dicho cómo se producirá el hidrógeno, pero la compañía participa en investigaciones industriales sobre fuentes renovables de hidrógeno.
Turbinas eólicas superconductoras
En las últimas décadas, la capacidad de las turbinas eólicas se ha disparado, de sólo 50 kilovatios en 1985 a 15 megavatios en la actualidad, gracias a turbinas más grandes con imanes más grandes que pueden generar campos electromagnéticos más fuertes. Pero la búsqueda de eficiencia se topa con vientos en contra, ya que más potencia generalmente equivale a más peso. Además, los elementos de tierras raras utilizados en los generadores de imanes permanentes, como el neodimio y el disprosio, son escasos.
La tecnología HTS proporciona un camino prometedor hacia una nueva generación de turbinas altamente eficientes y de menor costo. Reemplazar los imanes permanentes con devanados superconductores puede crear un campo magnético mucho más fuerte, reduciendo el peso de los generadores a la mitad y minimizando la necesidad de tierras raras.
El generador compacto de EcoSwing [en azul] para turbinas eólicas utiliza kilómetros de un HTS en forma de cinta que tiene 100 veces la densidad de potencia del cobre. JAN MEIER/FRAUNHOFER IWES
PRUEBA DE CONCEPTO: El proyecto EcoSwing , financiado por la Unión Europea y finalizado en 2019, instaló una turbina eólica de 3,6 MW en la costa danesa del Mar del Norte que contiene 20 kilómetros de cable HTS hecho de gadolinio, bario y óxido de cobre. El generador pesa un 40 por ciento menos que las unidades convencionales y la góndola (la carcasa del generador y otra maquinaria) es un 25 por ciento más pequeña. El material de bobinado HTS sigue siendo caro, pero los costes deberían bajar a medida que la tecnología madure.
Diagnóstico e Investigación Médica
La resonancia magnética es una herramienta de diagnóstico popular, gracias a su calidad superior de obtención de imágenes de tejidos blandos y a la falta de radiación ionizante. Las resonancias magnéticas también son extraordinariamente caras, como sabe cualquiera que haya recibido una factura por resonancia magnética. Para enfriar los imanes superconductores a -269 °C, las máquinas actuales suelen utilizar helio líquido, un bien cada vez más escaso.
Una vez que los costos bajen, las bobinas superconductoras de mayor temperatura podrían ofrecer una alternativa sostenible a los imanes de resonancia magnética enfriados con helio, reduciendo el tamaño, el peso y el consumo de energía de las máquinas. La tecnología HTS ya se está incorporando a las máquinas de resonancia magnética nuclear utilizadas para estudiar materiales a nivel molecular. Debido a sus campos magnéticos más elevados, la tecnología HTS puede aumentar drásticamente la relación señal-ruido, lo que da como resultado imágenes más detalladas y precisas.
PROYECTO A VER: Los espectrómetros más nuevos del fabricante de instrumentos científicos Bruker intercalan una bobina interna de HTS entre una bobina externa de superconductores de baja temperatura, logrando densidades de flujo magnético de 28,2 T, casi 600.000 veces más fuertes que el campo magnético de la Tierra.