Nuestro futuro energético puede depender de cables superconductores de alta temperatura (HTS). La capacidad de la tecnología para transportar electricidad sin resistencia a temperaturas superiores a las requeridas para los superconductores tradicionales podría revolucionar la red eléctrica e incluso permitir la fusión nuclear comercial.
Sin embargo, estas aplicaciones a gran escala no ocurrirán hasta que los cables HTS puedan fabricarse con las mismas métricas de costo-rendimiento que los cables de cobre simples que se venden en su ferretería local.
La nueva investigación dirigida por la Universidad de Buffalo nos está acercando a ese objetivo. En un estudio publicado hoy (7 de agosto) en Nature Communications, los investigadores informan que han desarrollado el segmento de cables HTS de mayor rendimiento del mundo y, al mismo tiempo, han optimizado significativamente la métrica de costo-rendimiento.
Basados en óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO), sus cables lograron la mayor densidad de corriente crítica y fuerza de fijación (la cantidad de corriente eléctrica y la capacidad de fijar vórtices magnéticos, respectivamente) reportadas hasta la fecha para todos los campos magnéticos y Las temperaturas oscilan entre 5 Kelvin y 77 Kelvin.
Este rango de temperatura sigue siendo extremadamente frío (entre -451 grados Fahrenheit y -321 grados Fahrenheit), pero es más alto que el cero absoluto en el que operan los superconductores tradicionales.
“Estos hallazgos ayudarán a guiar a la industria hacia una mayor optimización de sus condiciones de deposición y fabricación para mejorar significativamente la métrica de costo-rendimiento en conductores revestidos comerciales”, dijo el autor correspondiente del estudio, Amit Goyal, PhD, profesor distinguido de SUNY y profesor de innovación SUNY Empire. Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB. “Es necesario optimizar la métrica de costo-rendimiento para realizar plenamente numerosas aplicaciones previstas a gran escala de superconductores”.
Los cables HTS tienen muchas aplicaciones
Las aplicaciones de los cables HTS incluyen la generación de energía, como duplicar la energía generada por los generadores eólicos marinos; Sistemas de almacenamiento de energía magnéticos superconductores a escala de red; transmisión de energía, como transmisión de energía sin pérdidas en líneas de transmisión de CC y CA de alta corriente; y eficiencia energética en forma de transformadores superconductores, motores y limitadores de corriente de falla de alta eficiencia para la red.
El cable HTS tiene solo una aplicación específica, la fusión nuclear comercial, con el potencial de producir energía limpia ilimitada. En los últimos años, se han establecido aproximadamente 20 empresas privadas en todo el mundo para desarrollar la fusión nuclear comercial y se han invertido miles de millones de dólares en el desarrollo de cables HTS sólo para esta aplicación.
Otras aplicaciones del cable HTS incluyen resonancia magnética de próxima generación para medicina, resonancia magnética nuclear (RMN) de próxima generación para el descubrimiento de fármacos e imanes de alto campo para numerosas aplicaciones de física. También existen numerosas aplicaciones en defensa, como el desarrollo de barcos y aviones totalmente eléctricos.
Hoy en día, la mayoría de las empresas de todo el mundo construyen cables HTS de alto rendimiento y de un kilómetro de longitud utilizando una o más de las innovaciones tecnológicas de plataforma desarrolladas previamente por Goyal y su equipo.
Estos incluyen la tecnología de sustratos texturizados biaxialmente asistidos por laminación (RABiTS), la tecnología de MgO de deposición asistida por haz de iones (IBAD) habilitada por LMOe y defectos nanocolumnares en espaciado a nanoescala a través de tecnología simultánea de separación de fases y autoensamblaje impulsado por deformación. Una entrevista reciente de Superconductor Week con Goyal detalla y analiza estas tecnologías.
Densidad de corriente crítica y fuerza de fijación récord mundial
En el trabajo actual publicado en Nature Communications, el grupo de Goyal informa sobre cables superconductores basados en REBCO de rendimiento ultraalto.
A 4,2 Kelvin, los cables HTS transportan 190 millones de amperios por centímetro cuadrado sin campo magnético externo, también conocido como campo propio, y 90 millones de amperios por centímetro cuadrado con un campo magnético de 7 teslas.
A una temperatura más cálida de 20 Kelvin (la temperatura de aplicación prevista para la fusión nuclear comercial), los cables aún pueden transportar 150 millones de amperios por centímetro cuadrado de campo propio y más de 60 millones de amperios por centímetro cuadrado a 7 Tesla.
En términos de corriente crítica, esto corresponde a un segmento de cable de 4 milímetros de ancho a 4,2 Kelvin con un campo propio de 1.500 amperios y una supercorriente de 700 amperios a 7 Tesla. A 20 Kelvin, son 1200 amperios en campo propio y 500 amperios a 7 Tesla.
Es de destacar que la película HTS del equipo, a pesar de tener sólo 0,2 micrones de espesor, puede transportar una corriente comparable a los cables superconductores comerciales con películas HTS aproximadamente 10 veces más gruesas.
En cuanto a la fuerza de fijación, los cables mostraron una gran capacidad para fijar o mantener vórtices magnéticos en su lugar, con fuerzas de aproximadamente 6,4 teranewtons por metro cúbico a 4,2 Kelvin y aproximadamente 4,2 teranewtons por metro cúbico a 20 Kelvin, ambas bajo la escala de 7 Tesla. . .
Estos son los valores máximos de densidad de corriente crítica y fuerza de fijación informados para todos los campos magnéticos y temperaturas de funcionamiento de 5 Kelvin a 77 Kelvin.
“Estos resultados demuestran que aún son posibles mejoras significativas en el rendimiento y, por lo tanto, reducciones asociadas en los costos que potencialmente pueden lograrse en cables HTS comerciales optimizados”, dijo Goyal.
Cómo se fabricaron los cables de alto rendimiento
El segmento de alambre HTS (IBAD) se fabricó sobre el sustrato utilizando tecnología MGO y autoensamblaje simultáneo por separación de fases y tensión mediante defectos nanocolumnares. La tecnología de autoensamblaje permite la inclusión de nanocolumnas aislantes o no superconductoras en espacios a nanoescala entre superconductores. Estos nanodefectos pueden fijar los vórtices superconductores, permitiendo supercorrientes más altas.
“La alta densidad de corriente crítica es posible gracias a una combinación de dopaje con tierras raras, defectos en el punto de oxígeno y los efectos aislantes de las nanocolumnas de circonato de bario y su morfología”, afirma Goyal.
“La película HTS se fabricó utilizando un sistema avanzado de deposición de láser pulsado con un control cuidadoso de los parámetros de deposición”, añadió Rohit Kumar, becario postdoctoral en el Laboratorio de Crecimiento Heteroepitaxial de Materiales y Dispositivos Funcionales de la UB, que dirige Goyal.
En la deposición por láser pulsado, un rayo láser incide sobre un objetivo y reduce el material depositado como una película sobre un sustrato colocado adecuadamente.
“Realizamos microscopía de resolución atómica utilizando microscopios de última generación para caracterizar defectos a escala nanométrica y atómica en el Centro Canadiense de Microscopía Electrónica de la Universidad McMaster y también realizamos algunas mediciones de propiedades superconductoras en la Universitat di Salerno en Italia”, dijo Goyal.
La Oficina de Investigación Naval (ONR) apoyó esta investigación básica hacia el desarrollo de cables HTS superiores. Goyal es el investigador principal de este proyecto.