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Aplicaciones tecnológicas de la superconductividad

Las aplicaciones tecnológicas de la superconductividad incluyen:

Superconductividad de baja temperatura

Resonancia magnética y resonancia magnética nuclear

La mayor aplicación de la superconductividad es la producción de campos magnéticos de gran volumen, estables y de alta intensidad necesarios para la obtención de imágenes por resonancia magnética (IRM) y la resonancia magnética nuclear (RMN). Esto representa un mercado multimillonario para empresas como Oxford Instruments y Siemens . Los imanes suelen utilizar superconductores de baja temperatura (LTS), ya que los superconductores de alta temperatura aún no son lo suficientemente baratos como para generar de forma rentable los campos altos, estables y de gran volumen necesarios, a pesar de la necesidad de enfriar los instrumentos LTS a temperaturas de helio líquido . Los superconductores también se utilizan en imanes científicos de alto campo.

Aceleradores de partículas y dispositivos de fusión magnética

Los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones, pueden incluir muchos electroimanes de alto campo que requieren grandes cantidades de LTS. Para construir los imanes del LHC se necesitó más del 28 por ciento de la producción mundial de alambre de niobio y titanio durante cinco años, y también se utilizaron grandes cantidades de NbTi en los imanes de los enormes detectores experimentales del LHC. [2]

Las máquinas de fusión convencionales (JET, ST-40, NTSX-U y MAST) utilizan bloques de cobre, lo que limita sus campos a 1-3 teslas. Se prevé la construcción de varias máquinas de fusión superconductora para el período 2024-2026, entre ellas ITER , ARC y la próxima versión de ST-40 . La incorporación de superconductores de alta temperatura debería producir una mejora de un orden de magnitud en los campos (10-13 teslas) para una nueva generación de Tokamaks. [3]

Superconductividad de alta temperatura

Las aplicaciones comerciales hasta ahora de los superconductores de alta temperatura (HTS) han estado limitadas por otras propiedades de los materiales descubiertos hasta ahora. Los HTS requieren solo nitrógeno líquido , no helio líquido , para enfriarse a temperaturas superconductoras. Sin embargo, los superconductores de alta temperatura conocidos actualmente son cerámicas frágiles que son caras de fabricar y no se transforman fácilmente en cables u otras formas útiles. [4] Por lo tanto, las aplicaciones de los HTS han sido donde tienen alguna otra ventaja intrínseca, por ejemplo en:

Sistemas basados ​​en HTS

El HTS tiene aplicaciones en imanes científicos e industriales, incluido el uso en sistemas de RMN y MRI. Actualmente existen sistemas comerciales disponibles en cada categoría. [5]

Además, un atributo intrínseco del HTS es que puede soportar campos magnéticos mucho más altos que los LTS, por lo que se están explorando HTS a temperaturas de helio líquido para insertos de campo muy alto dentro de imanes LTS.

Las futuras aplicaciones industriales y comerciales prometedoras del HTS incluyen calentadores de inducción , transformadores , limitadores de corriente de falla , almacenamiento de energía , motores y generadores , reactores de fusión (ver ITER ) y dispositivos de levitación magnética .

Las primeras aplicaciones se realizarán en aquellas áreas en las que el beneficio de un tamaño más pequeño, un peso menor o la capacidad de cambiar rápidamente la corriente (limitadores de corriente de falla) supere el costo adicional. A más largo plazo, a medida que caiga el precio de los conductores, los sistemas HTS deberían ser competitivos en una gama mucho más amplia de aplicaciones, solo por razones de eficiencia energética . (Para una visión relativamente técnica y centrada en los EE. UU. del estado de la situación de la tecnología HTS en los sistemas de energía y el estado de desarrollo del conductor de Generación 2, consulte Superconductivity for Electric Systems 2008 US DOE Annual Peer Review.)

Transmisión de energía eléctrica

El proyecto Holbrook Superconductor , también conocido como el proyecto LIPA, fue un proyecto para diseñar y construir el primer cable de transmisión de energía superconductor de producción del mundo. El cable fue puesto en servicio a fines de junio de 2008 por la Autoridad de Energía de Long Island (LIPA) y estuvo en funcionamiento durante dos años. La subestación eléctrica suburbana de Long Island está alimentada por un sistema de cable subterráneo de 2000 pies (600 m) que consta de aproximadamente 99 millas (159 km) de cable superconductor de alta temperatura fabricado por American Superconductor enfriado a −371 °F (−223,9 °C; 49,3 K) con nitrógeno líquido , [ dudosodiscutir ] reduciendo en gran medida el costo requerido para entregar energía adicional. [6] Además, la instalación del cable eludió las estrictas regulaciones para líneas eléctricas aéreas y ofreció una solución para las preocupaciones del público [ ¿cuál? ] sobre las líneas eléctricas aéreas. [7] [ verificación fallida ]

El Proyecto Tres Amigas fue propuesto en 2009 como un interconector eléctrico HVDC entre la Interconexión Oriental , la Interconexión Occidental y la Interconexión de Texas . [8] Se propuso que fuera una vía triangular de varios kilómetros de cables eléctricos superconductores, capaz de transferir cinco gigavatios de energía entre las tres redes eléctricas de EE. UU. El proyecto caducó en 2015 cuando la Interconexión Oriental se retiró del proyecto. La construcción nunca comenzó. [9]

Sección de cable superconductor, tal como se instaló en Essen, Alemania

En Essen, Alemania, se fabrica el cable superconductor de energía más largo del mundo, de 1 kilómetro de longitud. Se trata de un cable refrigerado con nitrógeno líquido de 10 kV. El cable es más pequeño que un cable regular equivalente de 110 kV y su menor voltaje tiene la ventaja adicional de contar con transformadores más pequeños. [10] [11]

En 2020, una planta de aluminio en Voerde , Alemania, anunció planes para utilizar superconductores para cables que transportan 200 kA, citando como ventajas un menor volumen y una menor demanda de material. [12] [13]

Diboruro de magnesio

El diboruro de magnesio es un superconductor mucho más barato que el BSCCO o el YBCO en términos de coste por capacidad de transporte de corriente por longitud (coste/(kA*m)), en el mismo rango que el LTS, y sobre esta base muchos cables fabricados ya son más baratos que el cobre. Además, el MgB2 es superconductor a temperaturas superiores a las del LTS (su temperatura crítica es de 39 K, en comparación con menos de 10 K para el NbTi y 18,3 K para el Nb3Sn ) , lo que introduce la posibilidad de usarlo a 10-20 K en imanes sin criógeno o quizás eventualmente en hidrógeno líquido. [ cita requerida ] Sin embargo, el MgB2 está limitado en el campo magnético que puede tolerar a estas temperaturas más altas, por lo que se requiere más investigación para demostrar su competitividad en aplicaciones de campo más alto.

Imanes de campo atrapado

La exposición de materiales superconductores a un campo magnético breve puede atrapar el campo para su uso en máquinas como generadores. En algunas aplicaciones podrían reemplazar a los imanes permanentes tradicionales. [14] [15] [16]

Notas

  1. ^ Fischer, Martin. New Path to 10 MW Renewable Energy World , 12 de octubre de 2010. Consultado el 14 de octubre de 2010.
  2. ^ Los superconductores se enfrentan al futuro. 2010
  3. ^ Imanes del ITER
  4. ^ Véase, por ejemplo, LR Lawrence et al: "Superconductividad de alta temperatura: los productos y sus beneficios" Archivado el 8 de septiembre de 2014 en Wayback Machine. (2002) Bob Lawrence & Associates, Inc.
  5. ^ Véase, por ejemplo, HTS-110 Ltd y Paramed Medical Systems.
  6. ^ Gelsi, Steve (10 de julio de 2008). "Las empresas eléctricas aprovechan las nuevas tecnologías para las redes eléctricas obsoletas". Market Watch . Consultado el 11 de julio de 2008 .
  7. ^ Eckroad, S. (diciembre de 2012). "Superconducting-Power-Equipment" (PDF) . Technology*Watch*2012 – vía EPRI.
  8. ^ "Se adoptarán tuberías de electricidad con superconductores para el primer centro de mercado de energía renovable de Estados Unidos". 13 de octubre de 2009. Consultado el 25 de octubre de 2009 .
  9. ^ Boswell-Gore, Alisa (13 de marzo de 2021). "Tres Amigas: Lo que podría haber sido". The Eastern New Mexico News . Consultado el 28 de mayo de 2023 .
  10. ^ Williams, Diarmaid (7 de enero de 2016). "El éxito de Nexans en Essen podría traducirse en una expansión en otras ciudades". Ingeniería eléctrica . Consultado el 6 de julio de 2018 .
  11. ^ "Ein Leuchtturmprojekt für den effizienten Stromtransport" (PDF) (en alemán). Archivado desde el original (PDF) el 8 de noviembre de 2014.
  12. ^ "Demo200" . Consultado el 7 de marzo de 2020 .
  13. ^ "Trimet in Voerde setzt auf nachhaltige Supraleitertechnologie" (en alemán). 2020-02-04 . Consultado el 7 de marzo de 2020 .
  14. ^ "Imán de campo atrapado | Centro de electromecánica". cem.utexas.edu . Consultado el 9 de noviembre de 2023 .
  15. ^ "Los físicos descubren fallos en la teoría de los superconductores". phys.org . Consultado el 9 de noviembre de 2023 .
  16. ^ Wen, HM; Lin, LZ; Xiao, LY; Xiao, L.; Jiao, YL; Zheng, MH; Ren, HT (2000). "Imanes de campo atrapado de superconductores de alta temperatura/sub c/". IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 10 (1): 898–900. Bibcode :2000ITAS...10..898W. doi :10.1109/77.828376. S2CID  38030007.