Materiales Superconductores (página 3)

La descripción teórica de la superconductividad
en los sistemas laminares débilmente acoplados fue desarrollada por Lawrence
y Doniach para describir el comportamiento de superconductores laminares convencionales,
preparados artificialmente. Utilizando conceptos presentados en la teoría
se puede interpretar algunas de las características cuasi-bidimensionales
de los HTSC. Resultados experimentales muestran que aun el sistema YBa2 Cu3
O7 presenta características sólo esperables, de acuerdo a las
concepciones teóricas aceptadas, en sistemas mucho más anisotrópicos.

En una imagen laminar se considera que los planos superconductores
se acoplan a través de láminas aisladoras. Dos tipos de corrientes
superconductoras se pueden sostener en el sistema: las que circulan en los planos
y asociadas a los correspondientes gradientes de la fase del parámetro
de orden y las que, por efecto túnel, atraviesan los planos de Cu- O.
En este último caso la corriente no está determinada por gradientes.
El efecto Josephson explica el paso de corriente a través de junturas
aisladoras, introduciendo una relación constitutiva no lineal entre la
corriente y la diferencia de fase entre láminas. No puede haber corrientes
determinadas por trayectorias que se localizan entre planos, pues no puede haber
estados de pares con vida media infinita en la zona aisladora.

Esquema de la estructura de un vórtice en un HTSC
a temperatura nula y a temperatura finita. Las flechas representan las corrientes
en los planos de CuO3

Desventajas*

Los nuevos HTSC tienen dos dificultades: son muy frágiles
y su granulidad no le permite conducir grandes cantidades de corriente en presencia
de campos magnéticos. Todos los materiales cerámicos son frágiles
y poco dúctiles, lo que dificulta en gran manera la construcción
de cables.

Aspecto granular del óxido mixto

Uno de los problemas más importantes a resolver en
estos materiales y que se ha estudiado poco hasta el momento, es el que se refiere
al deterioro del material, pues al transferir un cierto tiempo el material deja
de presentar propiedades superconductoras. El tiempo para que esto ocurra es
de semanas y depende mucho del tipo de atmósfera en que se conserven
las muestras. La complejidad química de los materiales superconductores
de alta temperatura crítica implica una estabilidad limitada. De los
sistemas de alta Tc, el 1-2-3 es el más susceptible de deterioro, y los
de lantano, bario, cobre y oxígeno son de los más estables. El
deterioro se puede evitar dando a los materiales un recubierta de protección
de un material que no reaccione con la atmósfera circundante. *

Al aplicarles un campo de unos 10 Tesla, la resistencia del
material podía hacerse hasta cien veces superior a la del cobre en razón
de que los vórtices en las cerámicas superconductoras no permanecen
fijos. Una de las vias de solución que más éxito ha tenido
ha sido la de fijar los vórtices mediante impurezas estratégicamente
colocadas (dopaje): de esta forma consigue equipararse su comportamiento al
de un superconductor clásico, al impedir el desplazamiento de los vórtices
y el que este movimiento extraiga energía de la corriente suministrada.
Otro gran obstáculo que apareció es que las cerámicas superconductoras
sólo conseguían transmitir una cantidad limitada de electricidad
sin ofrecer resistencia, debido a la estructura en capas del material: si las
capas no se alinean perfectamente, los electrones chocan contra la frontera
de la región desalineada y se frenan. Este problema se ve empeorado en
presencia de un campo magnético. Una estrategia exitosa en este campo
ha consistido en alinear las capas de cuprato cuidadosamente, a fin de reducir
al mínimo las discontinuidades. Para ello se depositan capas micrométricas
de material sobre substratos bien alineados, utilizando las mismas técnicas
que se emplean para la fabricación de circuitos integrados. Fuerza de
levitación

Cuando acercamos un imán a un superconductor, en un
principio, el campo magnético del imán no penetra en el interior
del superconductor, generándose una corrientes de apantallamiento en
éste último que repelen el campo. De este modo aparece una fuerza
de repulsión entre ellos. Si continuamos acercándolos, llega un
momento que se supera el primer campo crítico Hc1y comienza a penetrar
el campo en el superconductor. Debido al anclaje de los vórtices, para
que estos no se muevan, el campo que se va introduciendo queda atrapado. Si
ahora se intenta aumenta la distancia relativa entre el imán y el superconductor,
al estar el campo atrapado, se genera una tensión magnética que
se traduce en una fuerza de atracción mutua. Esta distancia relativa
es un punto de equilibrio estable.

La fuerza de recuperación que coloca al superconductor
en el estado de equilibrio no es solo vertical, sino que cuando se produce un
desplazamiento lateral también aparece una fuerza que lo devuelve al
estado anterior de equilibrio. Por lo tanto este sistema es totalmente estable,
volviendo siempre a la posición de equilibrio después de una perturbación.*

Imágenes del efecto Meissner que provoca la fuerza
de levitación.

Superconductores comerciales

Las propiedades que se requieren en superconductores comerciales
son

1) La mayor temperatura crítica posible. Esto se debe
a que, cuanto mayor sea, más elevada podrá ser la temperatura
de operación del dispositivo fabricado, reduciéndose de esta manera
los costos por refrigeración requeridos para alcanzar el estado superconductor
en operación. *

2) El mayor campo magnético crítico posible.
Como se pretende utilizar el superconductor para generar campos magnéticos
intensos, mientras mayor sea el campo magnético que se quiere generar,
mayor tendría que ser el campo crítico del material superconductor.

3) La mayor densidad de corriente crítica posible.
A mayor densidad de corriente crítica que la muestra pueda soportar antes
de pasar al estado normal, más pequeño podrá hacerse el
dispositivo, reduciéndose, de esta manera, la cantidad requerida de material
superconductor y también la cantidad de material que debe refrigerarse.

4) La mayor estabilidad posible. Es muy común que los
superconductores sean inestables bajo cambios repentinos de corriente, de campos
magnéticos, o de temperatura, o bien ante choques mecánicos e
incluso por degradación del material al transcurrir el tiempo (como ocurre
en muchos de los nuevos materiales superconductores cerámicos). Así
que, si ocurre algún cambió súbito cuando el superconductor
está en operación, éste podría perder su estado
superconductor. Por eso es conveniente disponer de la mayor estabilidad posible.

5) Facilidad de fabricación. Un material superconductor
será completamente inútil para aplicaciones en gran escala si
no puede fabricarse fácilmente en grandes cantidades.

6) Costo mínimo. Como siempre, el costo es el factor
más importante para considerar cualquier material utilizado en ingeniería
y deberá mantenerse tan bajo como sea posible.

Aplicaciones

Electroimanes superconductores

Algunas de las aplicaciones más importantes de los
electroimanes superconductores, sin que la lista pretenda ser exhaustiva, es
la siguiente:

1) Aplicaciones biológicas. Se sabe desde hace mucho
tiempo que los campos magnéticos intensos afectan el crecimiento de plantas
y animales. Así, se han utilizado electroimanes superconductores para
generar campos magnéticos intensos y estudiar sus efectos en el crecimiento
de plantas y animales y, además, analizar su efecto en el comportamiento
de estos últimos.

2) Aplicaciones químicas. Es un hecho conocido que
los campos magnéticos pueden cambiar las reacciones químicas y
ser utilizados en la catálisis.

3) Aplicaciones médicas. Se han aplicado campos magnéticos
para arreglar arterias, sacar tumores y para sanar aneurismas sin cirugía.
También se estudia la influencia de los campos magnéticos en las
funciones vitales del cuerpo humano.

En este caso, se requieren fabricar hilos de material superconductor
que posteriormente formen las bobinas del solenoide. Generalmente estos hilos
consisten en Nb-Ti ó Nb-Sn en una matriz de Cu que son extruidos para
formar hilos de una sección de 0,5 mm de diámetro. Dado que estos
materiales soportan corrientes mucho mayores que los conductores
normales, 10 MA.cm-2 en el Nb-Sn, los sistemas superconductores son capaces
de generar campos magnéticos de hasta 15 T.

Un uso comercial muy importante de los magnetos superconductivos
actualmente son los analizadores de resonancia magnética. Estos dispositivos
se usan en el campo de la medicina como una herramienta de diagnóstico.
Esencialmente, el campo magnético intenso que genera el superconductor
estimula que el núcleo de los átomos emita radiación. Esta
radiación se usa para producir la imagen de una sección transversal
del cuerpo de un paciente o de sus órganos internos. De hecho, no solo
se obtiene la forma y la densidad de un órgano sino que esta técnica
es capaz de analizar químicamente el tejido que está revisando.
La ventaja obvia de este procedimiento es la detección temprana y los
diagnósticos precisos de las enfermedades o anormalidades en el tejido
humano.*

4) Levitación.

Una de las principales aplicaciones basados en ésta
propiedad es en el transporte en trenes de alta velocidad.

Este sistema puede lograrse con materiales convencionales,
sistema de atracción, o materiales superconductores, sistema por repulsión.

Los sistemas de levitación magnética basados
en imanes permanentes son inestables. En cambio cuando se utilizan superconductores
el comportamiento debido a la levitación varía radicalmente, convirtiéndose
en un sistema totalmente estable.

Las características de cada uno se presentan en el
siguiente cuadro:

Tipos de bobinas superconductoras para el transporte levitado.

5) Generación de energía. Utilización de
imanes superconductores para lograr "botellas magnéticas" que
sirvan para la generación de energía nuclear por fusión
que no presenta problemas de desechos radiactivos, como sucede con los actuales
generadores de energía nuclear por fusión. *

6) Separación magnética. Ésta se aplica
comercialmente para separar materiales paramagnéticos y materiales ferromagnéticos:
en la industria del caolín, para separar sustancias magnéticas
de la arcilla; para la limpieza magnética selectiva del carbón,
o sea, separar sustancias minerales de sustancias orgánicas.

7) Limpieza de aguas contaminadas. Por medio de campos magnéticos
se pueden separar las impurezas que al estar disueltas en agua quedan ionizadas
y al fluir a través de un campo magnético pueden ser desviadas
por éste y ser apartadas del agua.

8) Blindaje y modelaje de campos magnéticos. Puede lograrse
por medio de planos superconductores que ya han sido utilizados para este fin
en sistemas de producción de energía. *

9) Aceleradores de mucha energía. Se han podido desarrollar
electroimanes dipolares y cuadrupolares oscilantes de materiales superconductores,
capaces de generar los campos magnéticos más intensos de la historia
para su utilización en aceleradores de partículas de energía
muy grandes.

ya que si desarrollaba un sistema de imanes superconductores terminaría,
a la larga, por construir un acelerador más potente que el del CERN.

En 1973 se inició el programa de imanes superconductores para
un nuevo acelerador. Tales imanes, además de alimentar un acelerador
más potente, podían reducir el consumo de electricidad (y su costo
consiguiente). En 1980 el Fermilab construyó un gran laboratorio para
comprobar las propiedades mecánicas, criogénicas y magnéticas
de cada imán. Las características de cada uno se introdujeron
en un programa de ordenador que serviría, más tarde, para decidir
en qué lugar del anillo debía colocarse un imán u otro
para cancelar los errores residuales del campo. En Junio de 1982 comenzó
el montaje del Tevatrón, y en Junio del '83 se inyectó el primer
paquete de protones del anillo principal. El tevatrón entró en
su fase final en Junio de 1989; siguiéndole la construcción de
un acelerador lineal más potente y un nuevo anillo principal para inyectar
las partículas en el Tevatrón (programa conocido como Fermilab
III). El desarrollo de estas máquinas tienen como objetivo profundizar
en el interior de los quarks y del electrón, sometiendo a examen al "modelo
estándar".

Sistemas inductivos de almacenamiento de energía

Un ejemplo de aplicación a gran escala de los electroimanes
superconductores es el almacenamiento de energía, sistema que podría
servir para una gran variedad de propósitos importantes. Para valores
adecuados del campo magnético se pueden almacenar densidades de energía
muy altas comparadas con otros sistemas de almacenamiento de energía.
En esencia, en una bobina hecha de un material superconductor se deja circulando
una corriente. Como no hay disipación de energía al no existir
resistencia eléctrica, la corriente permanecerá circulando por
mucho tiempo. Al momento de necesitarse la energía almacenada en la bobina,
se toma. Dependiendo del tiempo en el que puede realizarse la descarga de energía
eléctrica, los electroimanes pueden utilizarse en reactores de fusión
o en sistemas de distribución comercial de energía eléctrica.

Las descargas de energía del orden de milisegundos
pueden utilizarse para iniciar una reacción de fusión nuclear
de deuterio-tritio o de deuterio-helio3. Aunque ya es posible construir con
los superconductores convencionales (con los nuevos superconductores cerámicos
todavía no) electroimanes superconductores capaces de almacenar 10 000
millones de Joules (esto es del orden de 2 800 kilowatts-hora), el interruptor
que permite la rápida descarga de energía aun presenta muchos
problemas en su funcionamiento. Realizar descargas de 2.8 kilowatts-hora en
0.1 seg es posible con interruptores superconductores. De cualquier modo, el
principal atractivo de la aplicación de estos sistemas sería su
utilización en las redes comerciales de distribución de energía
eléctrica, sobre todo para el consumo en las llamadas "horas pico".

La lista puede extenderse para incluir muchos otros usos,
pero la confiabilidad, la facilidad en la operación de los electroimanes
y las consideraciones económicas constituirán los factores más
importantes en el diseño de sistemas electromagnéticos que utilicen
superconductores. Para la mayoría de las aplicaciones técnicas,
la operación de los electroimanes debe ser totalmente automática
y esto requiere sistemas complicados de control y retroalimentación,
así como sistemas de refrigeración de circuito cerrado interconectados
con el sistema de alimentación de energía.*

Cables Superconductores

Actualmente, un cable superconductor necesita de una cubierta
refrigerante a su alrededor para mantenerlo a una temperatura inferior a la
temperatura crítica del material que lo forma. Es evidente que si se
dispusiera de un superconductor que trabajara a la temperatura ambiente (o mayor)
el sistema de refrigeración no sería necesario. Claro que si se
tuviera un elemento conductor fabricado con los nuevos materiales cerámicos,
el sistema de refrigeración se simplificaría muchísimo
en su diseño y disminuiría mucho su costo de fabricación.
Nos referimos a los actuales cables superconductores convencionales. Aunque
la filosofía del diseño permanecerá con los nuevos materiales
cerámicos superconductores.

Puede hacerse, a grandes rasgos, una distinción entre
las características de los cables superconductores a partir de sus componentes:
el aislamiento térmico y el sistema conductor eléctrico.

Por otro lado, con respecto a la construcción mecánica,
se tienen tres tipos de cables superconductores:

1) Rígidos. El aislamiento y el conductor
se fabrican con tubos rígidos. Una de las dificultades principales de
este diseño es que la longitud máxima de manufactura transportable
es de 20 metros aproximadamente, de lo que resulta un gran número de
uniones. Se requieren, además, componentes corrugados para compensar
las contracciones térmicas*.

Tipo de cable superconductor llamado rígido.
Sus componentes son los mismos que los mostrados en las figuras 1) tubo de protección,
2) superaislamiento, 3) vacío, 4) espaciadores, 5) fuelles, 6) nitrógeno
líquido, 7) escudo frío, 8) helio líquido, 9) superconductor,
10) aislamiento eléctrico, 11) escudo frío, 12) retorno de helio,
13) tubo de helio y 14) soporte.

2) Semiflexibles. En este caso también el sistema de
aislamiento térmico consta de tubos rígidos con componentes corrugados
para compensar las contracciones térmicas. Sin embargo, el conductor
es flexible y puede consistir de un tubo corrugado, o de alambres doblados en
forma helicoidal sobre un soporte cilíndrico hueco. Estos cables superconductores
pueden fabricarse en longitudes de 200 a 500 metros y ser transportados en tambores.*

3) Completamente flexibles. En este tipo de cable el aislamiento
térmico también es flexible. El cable está construido con
tubos corrugados, de manera que no hay problemas con respecto al transporte
o a las contracciones térmicas. El conductor puede ser, otra vez, un
tubo corrugado o alambre doblado en forma helicoidal.

Cable superconductor del tipo completamente flexible

En los tipos de cable rígido y semiflexible todos los
conductores pueden acomodarse en una envoltura térmica rígida
común, lo que tiene un efecto para evitar pérdidas térmicas.

Estos cables han sido utilizados hasta ahora, principalmente,
para la construcción de electroimanes de gran intensidad de campo y en
pocos casos para líneas de transmisión.

Es necesario mencionar que la tecnología de fabricación
varía dependiendo de si el cable va a transportar corriente directa o
corriente alterna. La diferencia se refiere a la disposición de los superconductores
dentro del cable. Sin embargo, el esquema general permanece prácticamente
sin cambio. Los materiales más utilizados hasta este momento siguen siendo
Nb3Sn y NbTi.*

Hay que mencionar que las cualidades mecánicas de los
nuevos materiales superconductores cerámicos para la fabricación
de alambres son muy pobres. Sin embargo, se está trabajando febrilmente
en desarrollar una tecnología que permita hacer alambres con los nuevos
materiales superconductores cerámicos; ya se están comercializando
algunas pequeñas bobinas para diferentes usos, especialmente en las fábricas
de componentes electrónicos muy pequeños (de los llamados microchips).

Fabricantes

Cables superconductores de potencia *

Los cables Superconductores de transmisión y distribución
de energía eléctrica ofrecen mucha más potencia que los
cables convencionales, ayudando a reducir la congestión de red, así
como la instalación y los costos de explotación – todos con bajo
impacto ambiental. Cables superconductores de alta capacidad y de muy baja impedancia
están siendo desplegados en proyectos de cableado de redes – allanando
el camino para una más brillante, inteligente y segura electricidad en
el futuro.* Aumentan la fiabilidad y seguridad de la red eléctrica.
Debido a que pueden ser diseñados para ser inteligentes y controlables,
los cables superconductores pueden hacer las redes de potencia en el que están
instalados tengan autoprotección. La auto-protección segura de
las redes de potencia se ajustan con rapidez y de forma automática a
las alteraciones en los equipos de alimentación de red causado por el
tiempo, la destrucción intencional u otros factores. * Significativamente
menor impedancia que los cables convencionales.

Los cables superconductores pueden ser colocados estratégicamente
en la red de transmisión para mejorar el flujo de cables convencionales
o líneas aéreas sobrecargadas- y aliviar la congestión
de la red. Cables de muy baja impedancia puede ayudar a resolver los problemas
de congestión y de la red permiten la implementación de configuraciones
de una nueva red. Actualmente las redes de energía congestionada y las
presiones ambientales están exigiendo que los servicios públicos
busquen nuevas soluciones de redes inteligentes para resolver problemas de flujo
de potencia que se ocupan de la creciente preocupación por la ubicación
y calidad de vida en las comunidades urbanas y suburbanas. Los cables superconductores
de alta capacidad y de muy baja impedancia ofrecen beneficios significativos
sobre las líneas aéreas de transmisión convencionales y
cables de cobre. Al sustituir los cables de cobre con el alambre HTS en los
cables de energía, estos sistemas son capaces de llevar hasta 10 veces
más potencia, los convierte en un solución ideal para actualizaciones
de red y proyectos de modernización urbana. Apoyan crecimiento de la
carga, permiten controlabilidad costo-efectiva de potencia sobre una red , y
se puede implementar con bajo impacto ambiental.

Los principales beneficios de cables eléctricos HTS
son:

• Hasta 10 veces más capacidad de soportar potencia
de la nuevageneración y crecimiento de la carga

• Alta capacidad de potencia con tensión más
baja permite fácil localización y reducción de costos de
los sistemas auxiliares

• La solución ideal para romper los cuellos de botella
de energía urbana

• Mejora, control de costos-eficacia del flujo de energía
a través de redes.

• Extiende la vida útil de los actuales corredores
de alta carga

• No hay emisiones de campos electromagnéticos, no
calienta la tierra, y no hay resultados en el aceite de bajo impacto ambiental

*El corazón del cable de alimentación superconductor
es alambre HTS. Uso de un cable convencional de varamiento máquinas,
varios hilos de alambre HTS se entretejen en una configuración coaxial.
Una vez tejidas en una configuración coxial, un cable HTS produce esencialmente
campos electromagnéticos nulos (CEM) de emisiones. La impedancia inherentemente
inferiores de este conjunto de cables permite un control rentable de la energía
que fluye sobre los alrededores de la red eléctrica . El nitrógeno
líquido, es el dieléctrico y refrigerante de elección para
mantener el cable HTS en su temperatura de funcionamiento, es barato, abundante
y segura para el medio ambiente, eliminando el aceite usado en muchos cables
de potencia convencionales en las distintas ciudades del mundo.

Hay varios diseños principales de los cables de alimentación
superconductores. La siguiente figura ilustra un diseño dieléctrico
frío.

Comparación de la potencia equivalente entre líneas
de potencia aéreas, cables subterráneos de cobre y los HTS( superconductores
de Alta temperatura)

Motores y Generadores Superconductores*

American Superconductor (AMSC) posee una amplia experiencia
en la investigación, diseño y fabricación de máquinas
rotativas superconductoras y productos relacionados.Equipos de energía
eléctrica desarrollados by AMSC ® conserva los recursos – que operan
de manera más eficiente, llevando a una mayor cantidad de energía
segura y fiable, y mejorar la calidad de energía suministrada a los clientes.
Aprovechando la superconductividad de alta densidad de potencia eléctrica
y eficiencia mejoradas, las máquinas rotativas que incorporan alambre
HTS de AMSC puede ser tan livianas como un tercio del peso y la mitad del tamaño
de las alternativas tradicionales de la misma potencia.

La reducción del tamaño y el peso libera valioso
un inmueble que a menudo se puede convertir en la generación de ingresos
adicionales o servicios.Las máquinas rotativas superconductoras suelen
tener la mitad de las pérdidas eléctricas de una máquina
convencional funcionando a potencia nominal.Los generadores superconductores
ofrecen mayores eficiencias que las máquinas convencionales en toda su
gama de funcionamiento al tiempo que ofrece menores costos de propiedad de por
vida, en parte debido a su mayor fiabilidad y mejor MTBF.La primer finalización
con éxito de las pruebas de alta potencia del mundo con 36,5 megavatios
(49.000 caballos de fuerza) de un superconductor de alta temperatura (HTS) fue
motor del buque de propulsión en los Estados Unidos.El Navy's Integrated
Power System Land-Based Test Site en Filadelfia fue la primera prueba exitosa
de alta potencia de un motor de propulsión eléctrica del tamaño
de un gran combatiente de la Marina y, en 36,5 megavatios, se duplicó
la calificación de la Armada de energía registro de prueba.

Este sistema fue diseñado y construido bajo un contrato
de la Oficina de Investigación Naval para demostrar la eficacia de los
motores de HTS como la tecnología de propulsión primaria para
el futuro de la Armada totalmente eléctrico buques y submarinos. Naval
de Mar del Comando de Sistemas (NAVSEA) financió y lideró la prueba
exitosa del motor.La incorporación de las bobinas de alambre HTS que
son capaces de llevar a 150 veces la potencia de alambre de cobre de tamaño
similar, el motor es menos de la mitad del tamaño de los motores convencionales
que se utilizan en las dos primeras DDG-1000 cascos y reducirá el peso
del buque por cerca de 200 métricas toneladas. Le ayudará a hacer
que los buques nuevos más eficientes en combustible y espacio libre para
la capacidad adicional bélicas.

 Superconductor de buques de motores de propulsión
para aplicaciones militares y comerciales exigentes de eficiencia de propulsión
mejorada combinada con resistencia a los golpes, de poco ruido, y su pequeño
tamaño permite mayor de pasajeros o cargas de mercancías, o las
vainas de las configuraciones montadas, y aumentan la flexibilidad
en el diseño de los buques.

Superconductor de buques de propulsión Generadores
para aplicaciones militares y comerciales exigentes de poco ruido, el pie de
copias de menor tamaño y peso ligero para mejorar el rendimiento y flexibilidad
del sistema. HTS Utilidad Generadores para diseñadas para suministrar
energía directamente a la red de transporte.

*Sistemas magnéticos superconductoresAMSC ha invertido
más de $ 150 millones en grandes máquinas eléctricas rotativas
superconductoras en los últimos dos decenios. Los componentes AMSC y
desarrollo en espiral máquina nos convierte en el líder en innovación
y demuestra nuestro compromiso con la comercialización de supercondMagnets.

El cable HTS de AMSC ofrece la oportunidad única de
mejorar el rendimiento y reducir el costo de operación de los imanes
de alto campo en una variedad de aplicaciones. El cable de energía de
mayor densidad y menor factor de forma aumentó la capacidad de capmpo
de los sistemas magnéticos sobre los cables de cobre tradicionales que.,
debido a su pérdida de peso y tamaño, son sustancialmente más
baratos de hacer y mantener.  

Los imanes HTS superan de manera significativa al de cobre,
debido a su capacidad para:

• Crear más altos campos magnéticos usando
menos espacio que el ocupado por un cable convencional de cobre refrigerado
por agua.

• Reduce el peso significativamente en comparación
con los equipos tradicionales, aumentando la movilidad y el uso productivo del
espacio.

• Menores costos de operación a través del
consumo de energía y la eliminación de la necesidad de agua de
refrigeración y aire.

Los sistemas de imanes basados en cable HTS permitirá
lograr una gran fiabilidad, los perfiles de optimización de costos y
ventajas técnicas adicionales cuando se compara con las máquinas
que utilizan mayormente cables LTS (superconductor de baja temperatura).Los
HTS está en mejores condiciones para facilitar la geometría compleja
y aplicaciones de alta velocidad de barrido.

Los Imanes HTS proporcionan beneficios sustanciales sobre
los antiguos imanes LTS en las solicitudes debido a que:

• Logran mayores campos magnéticos debido a la irreversibilidad
de rendimiento mejorado el campo de los conductores HTS por encima de los LTS.

• Entregan una mayor estabilidad térmica y la altura
libre para una mayor fiabilidad, flexibilidad y tiempo de actividad a través
de una mayor tolerancia a picos térmicos y degradaciones criorefrigerantes..

• Exigen un sistema criogénico mucho menos complejo
que el requerido para los LTS, simplificando el diseño del sistema y
reduce el costo de fabricación. uctor máquinas rotativas.

Últimos avances

Logran sintetizar diversos compuestos de una nueva familia de superconductores
de alta temperatura crítica. Quizás ayuden a explicar este fenómeno
superconductivo o proporcionen nuevas aplicaciones prácticas.

Estrutura cristalina de una de las nuevas familias superconductoras

Nexans suministra el primer palier superconductor a alta temperatura
sin contacto del mundo para su prueba en una aplicación industrial

París, 21 de septiembre de 2005 – Nexans, el
líder mundial en la industria del*cable, ha suministrado el primer palier
sin contacto basado en superconductores a alta temperatura para comenzar las
pruebas de utilización en una aplicación industrial. El cliente
para este prototipo es la división de tecnología corporativa de
Siemens AG, que lo está evaluando para su utilización en maquinaria
eléctrica.

Siemens está llevando a cabo una investigación
intensiva en superconductores a alta temperatura (HTS), y recientemente ha comenzado
la operación de un generador de 4 MVA diseñado especialmente para
barcos que contiene un rotor con un imán HTS.

Las elevadas densidades de corriente de los HTS se obtienen
en diseños compactos para aplicaciones en motores y generadores. Este
elemento es particularmente importante en aplicaciones navales, donde el bajo
peso y las reducidas dimensiones permiten una eficiente utilización del
espacio y redundan en nuevos tipos de diseños de barcos que no pueden
ser realizados utilizando los motores convencionales. El

palier sin contacto HTS también se beneficia de las
elevadas densidades de corriente del superconductor a alta temperatura puesto
que ayuda a mantener un eje rotatorio suspendido en un campo magnético.

Con la ayuda de un campo magnético, el palier HTS mantiene
un rotor equipado con imanes permanentes en una suspensión sin contacto,
y puede soportar una carga nominal de 500 Kg. El palier fue desarrollado y construido
por Nexans SuperConductors GMBH (NSC), basado en Hürth (Alemania), en colaboración
con los expertos en tecnología de refrigeración de Nexans en Hanover
y diseñado en cooperación con los especialistas del Instituto
IMAB de la Universidad Técnica de Brunswick. Los superconductores fueron
producidos y ensamblados en Hürth. El estator de cobre que aloja el superconductor
y el rotor fueron igualmente diseñados y producidos por Nexans SuperConductors.

Una tecnología segura

"Los palieres HTS son inherentemente seguros, cosa
que los distingue del resto de palieres sin contacto", explica el
Dr. Joachim Bock, director general de NSC. Los imanes permanentes por sí
solos no pueden producir un estado estable. Los palieres basados en electroimanes
(palieres magnéticos activos) requieren un suministro de corriente constante
para realizar los ajustes de control para balancear la carga. Los

palieres pasivos HTS no requieren este tipo de regulación,
porque los cristales de YBCO (yttrium barium copper oxide) reaccionan individualmente
cuando se aproximan a los imanes permanentes del rotor, aquí situados
en forma de anillo: El superconductor se convierte en un imán permanente
bajo la influencia de un campo magnético externo. "Este imán
permanente HTS mantiene el eje en una posición estable por levitación
y además compensa las fuerzas radial y lateral", explica Jean-Maxime
Saugrain, responsable de actividades de superconductores de Nexans.

270 elementos superconductores

El cilindro HTS consiste en 270 poderosos cristales de YBCO
producidos por NSC, que han sido alojados en un cuerpo de cobre con un diámetro
de aproximadamente 325 mm y una altura de 305 mm. Un sistema de refrigeración
enfría el cilindro de cobre que contiene los superconductores hasta -210°C
aproximadamente. Una presión de vacío de 10-7 mbar en el palier
previene la escarcha y hielo que prodrían

producirse debidos a la congelación de la humedad ambiental.
La masa del estator de cobre retiene la baja temperatura, permitiendo al palier
mantener su carga durante varias horas incluso si el sistema de refrigeración
fallase.

Probado en Siemens

Tras las pruebas preliminares en NSC, el palier HTS está
actualmente siguiendo el programa de test en Siemens. Se obtendrán datos
fiables de operación y se establecerán los valores límite
para su utilización en maquinaria rotatoria. Sus principales cualidades
ya han sido probadas en el banco de pruebas: Puede ser

enfriado hasta -245°C (el requerimiento mínimo
son -210°C), puede soportar una caraga de hasta 690 Kg (el requerimiento
mínimo eran 500 Kg) y puede soportar velocidades de giro de hasta 3.600
revoluciones por minuto. El hueco en el asiento del eje también es un
logro considerable, puesto que el rotor equipado con imanes permanentes gira
dentro del "cilindro caliente" con un espacio de tan sólo 1
mm de espesor. Hay sólo 1 mm de distancia entre la pared aislante crioestática
y el material HTS a una temperatura de -245 °C. Estos diferenciales de temperatura
de hasta 270 °C han sido aislados a pesar de la corta distancia*

.

Carcasa criogénica con sistema de enfriamiento

Cilindro HTS con 270 cristales YBCO

individuales montados en dos semicilindros de Cobre[5]