Aplicaciones tecnológicas de la superconductividad

La principal aplicación de la superconductividad reside en la generación de campos magnéticos de gran volumen, estables y de alta intensidad, necesarios para la resonancia magnética (RM) 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 económicos como para generar de forma rentable los campos intensos, estables y de gran volumen requeridos, sin olvidar la necesidad de enfriar los instrumentos LTS a temperaturas de helio líquido . Los superconductores también se utilizan en imanes científicos de alto campo.

A partir de 2023, existen algunos imanes de resonancia magnética (RM) sin criógeno que operan dentro de un rango de temperatura seguro para un instrumento LTS. En lugar de utilizar un criógeno, como helio o nitrógeno líquido, que debe reponerse continuamente, este diseño utiliza un criorefrigerador GM, que es un sistema cerrado que contiene gas helio. Mediante una combinación de técnicas de aislamiento y una serie de etapas de enfriamiento, el criorefrigerador GM mantiene el imán a temperaturas suficientemente bajas sin el costo adicional de rellenar un criógeno tradicional. El diseño de este imán utiliza bobinas superconductoras para generar un campo electromagnético, que puede utilizarse para capturar imágenes del cuerpo humano. Sin embargo, a diferencia de un imán de RM típico, este diseño no puede seguir funcionando durante tanto tiempo como un imán de RM típico basado en criógeno en caso de un corte de energía. ^{[ 1 ]}

Debido a su baja resistencia eléctrica, los superconductores son más eficientes en la producción de campos electromagnéticos que los conductores típicos, lo que los convierte en una opción rentable para la investigación en física. En los primeros aceleradores de partículas LTS, el Nb-Ti era el superconductor preferido debido a su ductilidad y capacidad para transportar una cantidad considerable de corriente eléctrica. Sin embargo, se planea investigar la posibilidad de reemplazar el Nb-Ti con niobio-estaño, que puede transportar una corriente mayor, pero también es más frágil. Al superar el desafío de diseñar bobinas con un material frágil como el Nb-Ti, los investigadores podrían desarrollar un acelerador de partículas superconductor más eficiente. ^{[ 2 ]}

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-titanio durante cinco años, y también se utilizaron grandes cantidades de NbTi en los imanes para los enormes detectores de experimentos del LHC. ^{[ 3 ]}

Durante los procesos de fusión, se pueden utilizar electroimanes para contener el plasma. Los electroimanes superconductores producen campos magnéticos más fuertes con una menor entrada de energía que sus homólogos tradicionales, pero también implican costos iniciales más elevados. ^{[ 2 ]}

Las máquinas de fusión convencionales (JET, ST-40, NTSX-U y MAST) utilizan bloques de cobre. Esto limita sus campos a 1-3 Tesla. Se prevé la construcción de varias máquinas de fusión superconductoras entre 2024 y 2026. Entre ellas se incluyen ITER , ARC y la próxima versión de ST-40 . La incorporación de superconductores de alta temperatura debería suponer una mejora de un orden de magnitud en los campos (10-13 tesla) para una nueva generación de Tokamaks. ^{[ 4 ]}

El diseño de cable en conducto (CIC) para superconductores también se utiliza comúnmente para el confinamiento electromagnético. El conductor CIC puede soportar grandes cantidades de fuerza, es eficiente en la transferencia de corriente eléctrica y es un buen aislante, lo que lo hace idóneo para su uso en procesos de fusión. ^{[ 2 ]}

En algunos generadores se pueden utilizar cables superconductores y campos electromagnéticos generados por bobinas superconductoras. Las versiones superconductoras de estos elementos son más eficientes que sus contrapartes, lo que permite una mayor generación de electricidad con un generador más pequeño y ligero. Las bobinas superconductoras de estos generadores suelen estar hechas de NbTi y se utilizan para generar un campo electromagnético. Dado que el NbTi es un LTS (superconductor de baja temperatura), normalmente se utiliza helio líquido como criógeno para mantener el generador a una temperatura suficientemente baja. Este tipo de generador superconductor se ha aplicado para alimentar turbinas eólicas marinas, ya que su diseño optimiza la producción de energía de un generador relativamente pequeño y ligero. ^{[ 5 ]}

En la purificación del carbón, se emplean electroimanes para eliminar las sustancias ferromagnéticas, principalmente el hierro. Los superconductores son más eficientes energéticamente que los conductores convencionales, por lo que se utilizan para crear bobinas superconductoras que generan un campo electromagnético. Estas bobinas LTS requieren refrigeración criogénica con helio líquido para funcionar de forma segura. Estos imanes superconductores requieren menos energía y ocupan un volumen menor que un imán convencional. ^{[ 6 ]}

La tecnología HTS tiene aplicaciones en imanes científicos e industriales, incluyendo su uso en sistemas de RMN y RMN. Actualmente existen sistemas comerciales disponibles en cada categoría. ^{[ 8 ]}

Además, una característica intrínseca de los HTS es que pueden soportar campos magnéticos mucho más altos que los LTS, por lo que se están explorando los HTS a temperaturas de helio líquido para su uso como insertos de campo muy alto dentro de imanes LTS.

Entre las prometedoras aplicaciones industriales y comerciales futuras de los superconductores de alta temperatura (HTS) se incluyen calentadores de inducción , transformadores , limitadores de corriente de falla , almacenamiento de energía , motores y generadores , reactores de fusión (véase ITER ) y dispositivos de levitación magnética .

Las primeras aplicaciones se darán donde la ventaja de un tamaño más pequeño, un menor peso o la capacidad de conmutar rápidamente la corriente (limitadores de corriente de falla) compense el costo adicional. A largo plazo, a medida que disminuya el precio de los conductores, los sistemas HTS deberían ser competitivos en una gama mucho más amplia de aplicaciones, tan solo por razones de eficiencia energética . (Para una perspectiva relativamente técnica y centrada en EE. UU. sobre el estado actual de la tecnología HTS en sistemas de energía y el estado de desarrollo de los conductores de Generación 2, consulte Superconductivity for Electric Systems 2008 US DOE Annual Peer Review ).

El diboruro de magnesio es un superconductor mucho más económico que el BSCCO o el YBCO en términos de costo por capacidad de corriente por longitud (costo/(kA*m)), similar al LTS, y sobre esta base muchos cables fabricados ya son más baratos que el cobre. Además, el MgB₂ _presenta superconductividad a temperaturas superiores al 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 abre la posibilidad de usarlo a 10-20  K en imanes libres de criógenos o, incluso, en hidrógeno líquido. Sin embargo, el MgB₂ _tiene limitaciones 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 campos magnéticos más intensos.

La exposición de materiales superconductores a un campo magnético breve permite atrapar dicho campo para su uso en máquinas como generadores. En algunas aplicaciones, podrían reemplazar a los imanes permanentes tradicionales. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

Debido a su baja resistencia eléctrica, los cables superconductores son más eficientes en la transferencia de electricidad que un cable convencional. Si bien los cables HTS y LTS son inicialmente más caros que sus homólogos tradicionales, el ahorro derivado de las menores pérdidas de corriente hace que los precios sean más comparables a largo plazo. Sin embargo, estos elevados costos iniciales siguen representando un desafío para las ciudades que consideran la transición a cables superconductores en la red eléctrica. ^{[ 12 ]}

Las corrientes de falla se producen cuando un fallo en algún punto de la red eléctrica provoca que fluya una corriente inusualmente grande y potencialmente dañina a través de ella. El limitador de corriente de falla (FCL) ideal sería capaz de responder a una corriente de falla pasando rápidamente a un estado de baja resistencia y absorbiendo la corriente adicional causada por la falla. Un FCL requeriría algún mecanismo para detectar una falla y activarlo, y luego algún mecanismo para volver a un estado normal una vez contenida la corriente de falla. Debido a que los superconductores tienen una baja resistencia eléctrica, son muy adecuados para su uso en un posible diseño de FCL. Estos diseños de SCFCL aún están en desarrollo, pero tienen el potencial de proporcionar mayor seguridad a la red eléctrica si se implementan ampliamente. ^{[ 12 ]}

Nuevamente, este concepto aprovecha la baja resistencia de los superconductores como método para el almacenamiento de electricidad. Un SMES tiene la capacidad de descargar repetidamente su energía almacenada y luego recuperarla, almacenándola nuevamente. En un diseño SMES, una bobina superconductora genera un campo electromagnético, almacenando eficazmente electricidad que puede descargarse prácticamente sin pérdida de corriente debido a la resistencia. Los sistemas SMES suelen utilizar LTS, lo que significa que requieren un sistema de refrigeración. Los LTS, generalmente aleaciones de titanio y niobio, pueden operar en un campo magnético más alto que los HTS, lo que hace que los LTS sean más efectivos para los SMES. ^{[ 12 ]}

El Proyecto Superconductor Holbrook , también conocido como proyecto LIPA, fue un proyecto para diseñar y construir el primer cable de transmisión de energía superconductor de producción en serie del mundo. El cable fue puesto en servicio a finales 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 se alimenta mediante un sistema de cable subterráneo de 600 m (2000 pies ) que consta de aproximadamente 159 km (99 millas) de cable superconductor de alta temperatura fabricado por American Superconductor y enfriado a -223,9 °C (-371 °F; 49,3 K) con nitrógeno líquido , lo que reduce considerablemente el costo necesario para suministrar energía adicional. ^{[ 13 ]} Además, la instalación del cable eludió las estrictas regulaciones para líneas eléctricas aéreas y ofreció una solución a las preocupaciones del público sobre dichas líneas. ^{[ 14 ]}     

El proyecto Tres Amigas se propuso en 2009 como un interconector eléctrico HVDC entre la Interconexión Oriental , la Interconexión Occidental y la Interconexión de Texas . ^{[ 15 ]} Se propuso como una ruta triangular de varios kilómetros de cables eléctricos superconductores, capaz de transferir cinco gigavatios de potencia entre las tres redes eléctricas de EE. UU. El proyecto se canceló en 2015 cuando la Interconexión Oriental se retiró. La construcción nunca se inició. ^{[ 16 ]}

Essen, Alemania, cuenta con el cable de alimentación superconductor más largo del mundo en producción, con 1 kilómetro de longitud. Se trata de un cable de 10 kV refrigerado con nitrógeno líquido. Este cable es más pequeño que un cable convencional equivalente de 110 kV, y su menor voltaje ofrece la ventaja adicional de poder utilizar transformadores más pequeños. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

En 2020, una planta de aluminio en Voerde , Alemania, anunció planes para utilizar superconductores para cables que transportan 200 kA, citando como ventajas el menor volumen y la menor demanda de material. ^{[ 19 ] [ 20 ]}