Novas tecnologias supercondutoras para o HL

O desenvolvimento no CERN de cabos de diboreto de magnésio e outros sistemas supercondutores avançados para o LHC de alta luminosidade também está a impulsionar aplicações para além da investigação fundamental, descreve Amalia Ballarino.

A era da supercondutividade em alta temperatura começou em 1986 com a descoberta, pelos pesquisadores da IBM, Georg Bednorz e Alex Muller, da supercondutividade em um óxido de cobre, bário e lantânio. Esta descoberta foi revolucionária: não só o novo e frágil composto supercondutor pertencia à família dos óxidos cerâmicos, que são geralmente isolantes, como também tinha a temperatura crítica mais elevada alguma vez registada (até 35 K, em comparação com cerca de 18 K nos supercondutores convencionais). ). Nos anos seguintes, os cientistas descobriram outros supercondutores cuprato (óxido de bismuto-estrôncio-cobre e óxido de ítrio-bário-cobre) e alcançaram supercondutividade em temperaturas acima de 77 K, o ponto de ebulição do nitrogênio líquido (ver figura “O calor está aumentando”). A possibilidade de operar sistemas supercondutores com nitrogênio líquido barato, abundante e inerte gerou um enorme entusiasmo na comunidade supercondutora.

Foram estudadas diversas aplicações de materiais supercondutores de alta temperatura com um impacto potencialmente elevado na sociedade. Entre elas, as linhas de transmissão supercondutoras foram identificadas como uma solução inovadora e eficaz para transmissão de energia em massa. As vantagens exclusivas da transmissão supercondutora são alta capacidade, volume muito compacto e baixas perdas. Isto permite a transferência sustentável de até dezenas de GW de energia em baixas e médias tensões em canais estreitos, juntamente com economia de energia. Os demonstradores foram construídos em todo o mundo em conjunto com empresas industriais e de serviços públicos, algumas das quais operaram com sucesso em redes eléctricas nacionais. No entanto, a adoção generalizada da tecnologia foi dificultada pelo custo dos supercondutores cuprato.

Na física de partículas, os ímãs supercondutores permitem que feixes de alta energia circulem nos colisores e fornecem campos mais fortes para que os detectores sejam capazes de lidar com energias de colisão mais altas. O LHC é a maior máquina supercondutora já construída e a primeira a também empregar supercondutores de alta temperatura em escala. A concretização da sua atualização de alta luminosidade e de possíveis colisores futuros está a impulsionar a utilização de materiais supercondutores de próxima geração, com aplicações que vão muito além da investigação fundamental.

A supercondutividade de alta temperatura (HTS) foi descoberta na época em que o estudo conceitual do LHC estava em andamento. Embora os novos materiais ainda estivessem em fase de desenvolvimento, o potencial do HTS para uso na transmissão elétrica foi imediatamente reconhecido. A alimentação dos ímãs do LHC (que são baseados no supercondutor convencional nióbio titânio, resfriado por hélio superfluido) requer a transferência de cerca de 3,4 MA de corrente, gerada à temperatura ambiente, dentro e fora do ambiente criogênico. Isto é feito através de dispositivos chamados condutores de corrente, dos quais mais de 3.000 unidades estão instaladas em diferentes locais subterrâneos ao redor da circunferência do LHC. O projeto convencional de condutor de corrente, baseado em condutores metálicos resfriados a vapor, impõe um limite inferior (cerca de 1,1 W/kA) no vazamento de calor no hélio líquido. A adoção da fita HTS BSCCO 2223 (cerâmica de bismuto-estrôncio-óxido de cobre e cálcio) - operada nos cabos de corrente do LHC na faixa de temperatura de 4,5 a 50 K - permitiu desembaraçar a condução térmica e a dissipação ôhmica. A pesquisa e o desenvolvimento multidisciplinar bem-sucedidos, seguidos de prototipagem no CERN e depois da industrialização, com a produção em série dos aproximadamente 1.100 terminais atuais do LHC HTS a partir de 2004, resultaram em economias de capital e operacionais (evitando uma crioplanta extra e uma economia de cerca de 5.000 l/h). de hélio líquido). Também incentivou uma adoção mais ampla da tecnologia de condutores de corrente BSCCO 2223, por exemplo nos circuitos magnéticos para o tokamak ITER, que beneficiam de um acordo de colaboração com o CERN no desenvolvimento e design de condutores de corrente HTS.