Aplicaciones tecnológicas de la superconductividad

Algunas de las aplicaciones tecnológicas de la superconductividad incluyen:

• la producción de magnetómetros sensibles basados en SQUIDs (dispositivos de interferencia cuántica superconductores)
• circuitos digitales rápidos (incluidos los basados en las uniones de Josephson y la tecnología de quantum de flujo rápido),
• potentes electroimanes superconductores utilizados en trenes maglev, imagen de resonancia magnética (RM) y máquinas de resonancia magnética nuclear (NMR), reactores de fusión de confinamiento magnético (por ejemplo, tokamaks), y los imanes de control de rayos y enfoque utilizados en aceleradores de partículas
• cables de energía de baja pérdida
• Filtros RF y microondas (por ejemplo, para estaciones de base de teléfonos móviles, así como receptores militares ultrasensibles/selectivos)
• Limitadores de corriente de falla rápida
• detectores de partículas de alta sensibilidad, incluyendo el sensor del borde de transición, el superconductor bolometro, el detector de unión del túnel superconductor, el detector de inductancia cinética, y el detector de nano hilos
• imanes de pistola y coilgun
• motores eléctricos y generadores

Superconductividad a baja temperatura

Imágenes por resonancia magnética (IRM) y resonancia magnética nuclear (RMN)

La principal aplicación de la superconductividad es la producción de campos magnéticos de gran volumen, estables y de alta intensidad necesarios para la MRI y la RMN. Esto representa un mercado de miles de millones de dólares estadounidenses para empresas como Oxford Instruments y Siemens. Los imanes suelen utilizar superconductores de baja temperatura (LTS) porque los superconductores de alta temperatura aún no son lo suficientemente baratos como para generar de manera rentable los campos altos, estables y de gran volumen requeridos, 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 requirió 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 experimentales del LHC.

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 planean varias máquinas de fusión superconductoras para el período 2024-2026. Estos incluyen ITER, ARC y la próxima versión de ST-40. La adición de superconductores de alta temperatura debería producir una mejora de un orden de magnitud en los campos (10-13 tesla) para una nueva generación de Tokamaks.

Superconductividad a alta temperatura (HTS)

Hasta ahora, las aplicaciones comerciales de los superconductores de alta temperatura (HTS) han sido limitadas.

Los HTS solo requieren nitrógeno líquido, no helio líquido, para enfriarse a temperaturas superconductoras. Sin embargo, el problema con la tecnología HTS es que los superconductores de alta temperatura actualmente conocidos son cerámicas quebradizas que son costosas de fabricar y no se les da forma fácilmente en alambres u otras formas útiles. Por lo tanto, las aplicaciones para HTS han sido donde tiene alguna otra ventaja intrínseca, p. en

• baja corriente de pérdida térmica conduce para dispositivos LTS (conductividad térmica baja),
• Filtros RF y microondas (resistencia baja a RF), y
• Cada vez más en los imanes científicos especializados, en particular cuando el consumo de tamaño y electricidad es crítico (mientras el alambre HTS es mucho más caro que LTS en estas aplicaciones, esto se puede compensar por el costo relativo y la comodidad del enfriamiento); la capacidad de campo de rampa es deseada (la mayor y más amplia gama de temperatura de funcionamiento de HTS significa cambios más rápidos en el campo se pueden gestionar); o se desea operación libre de crio (LTS generalmente requiere helio líquido que se hace más escaso y caro).

Sistemas basados en HTS

HTS tiene aplicación en imanes científicos e industriales, incluido el uso en sistemas NMR y MRI. Los sistemas comerciales ahora están disponibles en cada categoría.

También un atributo intrínseco de HTS es que puede soportar campos magnéticos mucho más altos que LTS, por lo que se está explorando HTS a temperaturas de helio líquido para inserciones de campo muy alto dentro de imanes LTS.

Las futuras aplicaciones industriales y comerciales prometedoras de 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 serán donde el beneficio de un tamaño más pequeño, un peso más bajo o la capacidad de cambiar rápidamente la corriente (limitadores de corriente de falla) supere el costo adicional. A más largo plazo, a medida que cae el precio del conductor, los sistemas HTS deberían ser competitivos en una gama mucho más amplia de aplicaciones solo por motivos de eficiencia energética. (Para obtener una visión relativamente técnica y centrada en los EE. UU. del estado actual de la tecnología HTS en los sistemas de energía y el estado de desarrollo del conductor de la Generación 2, consulte Superconductivity for Electric Systems 2008 US DOE Annual Peer Review).

Transmisión de energía eléctrica

Proyecto superconductor Holbrook

El proyecto Holbrook Superconductor, también conocido como proyecto LIPA, es un proyecto para diseñar y construir el primer cable de alimentación de transmisión superconductor de producción del mundo. El cable fue encargado a fines de junio de 2008 por la Autoridad de Energía de Long Island (LIPA). La subestación eléctrica suburbana de Long Island está alimentada por un sistema de cable subterráneo de unos 600 metros de largo que consta de unas 99 millas (159 km) de cable superconductor de alta temperatura fabricado por American Superconductor, instalado bajo tierra y enfriado con nitrógeno líquido, lo que reduce en gran medida el costoso derecho -de paso requerido para entregar energía adicional. Además, la instalación del cable eludió las estrictas complicaciones de permisos para las líneas eléctricas aéreas y ofreció una solución a las preocupaciones del público sobre las líneas eléctricas aéreas.

Proyecto Tres Amigas

American Superconductor fue elegido para el Proyecto Tres Amigas, el primer centro del mercado de energía renovable de los Estados Unidos. El centro del mercado de energía renovable de Tres Amigas será una ruta eléctrica triangular de varias millas de tuberías de electricidad superconductoras capaces de transferir y equilibrar muchos gigavatios de energía entre tres redes eléctricas de EE. UU. (la Interconexión del Este, la Interconexión del Oeste y la Interconexión de Texas). A diferencia de las líneas eléctricas tradicionales, transferirá energía como corriente continua en lugar de corriente alterna. Estará ubicado en Clovis, Nuevo México.

Centro de la ciudad de Essen

Essen, Alemania, tiene el cable de alimentación superconductor más largo del mundo en producción con 1 kilómetro. Es un cable de 10 kV refrigerado por nitrógeno líquido. El cable es más pequeño que un cable regular equivalente de 110 kV y el voltaje más bajo tiene el beneficio adicional de transformadores más pequeños.

Planta de aluminio de Voerde

Una planta de aluminio en Voerde, Alemania, planea usar superconductores para cables de 200 kA, citando como ventajas el menor volumen y demanda de material.

Diboruro de magnesio

El diboruro de magnesio es un superconductor mucho más económico que BSCCO o YBCO en términos de costo por capacidad de transporte de corriente por longitud (costo/(kA*m)), en el mismo estadio que LTS, y sobre esta base se fabrican muchos cables ya son más baratos que el cobre. Además, el MgB₂ superconduce a temperaturas superiores a LTS (su temperatura crítica es de 39 K, frente a menos de 10 K para NbTi y 18,3 K para Nb₃Sn), introduciendo la posibilidad de usarlo a 10-20 K en imanes libres de criógeno o quizás eventualmente en hidrógeno líquido. Sin embargo, el MgB₂ tiene un campo magnético limitado que puede tolerar a estas temperaturas más altas, por lo que se requiere más investigación para demostrar su competitividad en aplicaciones de campos más altos.

Imanes de campo atrapado

Exponer materiales superconductores a un breve campo magnético puede atrapar el campo para su uso en máquinas como generadores. En algunas aplicaciones podrían reemplazar los imanes permanentes tradicionales.