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 impulsionando aplicações além da pesquisa fundamental, descreve Amalia Ballarino.

A era da supercondutividade de alta temperatura começou em 1986 com a descoberta, pelos pesquisadores da IBM Georg Bednorz e Alex Muller, da supercondutividade em um óxido de lantânio, bário e cobre. Essa descoberta foi revolucionária: o novo composto supercondutor frágil não apenas pertencia à família dos óxidos cerâmicos, que geralmente são isolantes, mas também tinha a temperatura crítica mais alta já registrada (até 35 K, em comparação com cerca de 18 K nos supercondutores convencionais). ). Nos anos seguintes, os cientistas descobriram outros supercondutores de cuprato (óxido de bismuto-estrôncio-cobre e óxido de ítrio-bário-cobre) e alcançaram supercondutividade a temperaturas acima de 77 K, o ponto de ebulição do nitrogênio líquido (veja a 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.

Várias aplicações de materiais supercondutores de alta temperatura com um impacto potencialmente alto na sociedade foram estudadas. Entre eles, as linhas de transmissão supercondutoras foram identificadas como uma solução inovadora e eficaz para a transmissão de energia em massa. As vantagens exclusivas da transmissão supercondutora são alta capacidade, volume muito compacto e baixas perdas. Isso permite a transferência sustentável de até dezenas de GW de potência em baixa e média tensão em canais estreitos, juntamente com economia de energia. Os demonstradores foram construídos em todo o mundo em conjunto com a indústria e empresas de serviços públicos, algumas das quais operaram com sucesso em redes elétricas nacionais. No entanto, a ampla adoção da tecnologia foi prejudicada pelo custo dos supercondutores de cuprato.

Na física de partículas, ímãs supercondutores permitem que feixes de alta energia circulem em 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. Perceber sua atualização de alta luminosidade e possíveis colisores futuros está impulsionando o uso de materiais supercondutores de última geração, com aplicações que vão muito além da pesquisa fundamental.

A supercondutividade de alta temperatura (HTS) foi descoberta na época em que o estudo conceitual do LHC estava em andamento. Enquanto os novos materiais ainda estavam 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 convencional supercondutor nióbio titânio, resfriado por hélio superfluido) requer a transferência de cerca de 3,4 MA de corrente, gerada em temperatura ambiente, dentro e fora do ambiente criogênico. Isso é feito por meio 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 condutores de corrente, baseado em condutores metálicos resfriados a vapor, impõe um limite inferior (cerca de 1,1 W/kA) no vazamento de calor para o hélio líquido. A adoção da fita HTS BSCCO 2223 (cerâmica de óxido de cobre bismuto-estrôncio-cálcio) – operada nas derivações de corrente do LHC na faixa de temperatura de 4,5 a 50 K – permitiu que a condução térmica e a dissipação ôhmica fossem desembaraçadas. P&D multidisciplinar bem-sucedido, seguido de prototipagem no CERN e depois industrialização, com produção em série de aproximadamente 1.100 condutores atuais do LHC HTS a partir de 2004, resultou em economia de capital e operacional (evitando uma crioplanta extra e uma economia de cerca de 5.000 l/h de hélio líquido). Também encorajou a adoção mais ampla da tecnologia BSCCO 2223, por exemplo, nos circuitos magnéticos para o tokamak ITER, que se beneficiam de um acordo de colaboração com o CERN no desenvolvimento e design de condutores de corrente HTS.