Supercondutividade para a sustentabilidade: um novo elo supercondutor para o Alto

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Um criostato flexível e a primeira série de cabos de diboreto de magnésio supercondutores de alta temperatura formarão uma linha de transferência elétrica inovadora para alimentar os ímãs trigêmeos internos do HL-LHC

3 de março de 2023

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Por Chetna Krishna

O Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo, é também a maior máquina única operando no mundo hoje que usa supercondutividade. Os feixes de prótons dentro do LHC são dobrados e focados em torno do anel do acelerador usando eletroímãs supercondutores. Esses eletroímãs são construídos a partir de bobinas, feitas de cabos de nióbio-titânio (Nb-Ti), que precisam operar a uma temperatura mais fria que a do espaço sideral para serem supercondutores. Isso permite que a corrente flua sem qualquer resistência ou perda de energia. O High-Luminosity LHC (HL-LHC), uma atualização do LHC, apresentará pela primeira vez linhas de transferência elétrica inovadoras conhecidas como "Links Supercondutores".

Recentemente, a instalação de teste de ímãs SM18 do CERN testemunhou a integração bem-sucedida da primeira série de cabos supercondutores de diboreto de magnésio em um novo criostato flexível. Juntamente com os cabos de diboreto de magnésio (MgB2) supercondutores de alta temperatura (HTS), eles formarão uma linha de transferência supercondutora exclusiva para alimentar os ímãs trigêmeos internos do HL-LHC. Os trigêmeos são os ímãs de foco que focalizam o feixe, logo antes das colisões, em um diâmetro tão estreito quanto 5 micrômetros.

Coloquialmente conhecido como "python", o criostato corrugado flexível de parede dupla compreende 19 cabos supercondutores de MgB2 em um único conjunto, torcidos juntos para formar um feixe compacto. Cada cabo MgB2 tem cerca de 140 metros de comprimento, com o diâmetro do feixe medindo cerca de 90 mm. Juntos, esses 19 cabos supercondutores podem transferir uma corrente contínua de cerca de 120 kA a 25 K (-248 °C) – uma temperatura mais alta do que aquela em que os supercondutores convencionais operam. No LHC, os cabos de nióbio-titânio (Nb-Ti) e nióbio-estanho (Nb3Sn) são operados em hélio superfluido a 1,9 K (-271,3 °C) – uma temperatura mais baixa que os 2,7 K (-270,5 °C) do exterior espaço. Os cabos MgB2 do Link Supercondutor são resfriados por um fluxo forçado de gás hélio. "A P&D realizada na fase inicial do projeto LHC tornou a produção contínua confiável e repetível", disse o líder do projeto HL-LHC, Oliver Brüning.

Este novo tipo de linha de transmissão supercondutora também tem potencial fora da tecnologia de aceleradores. Essas linhas podem transferir grandes quantidades de corrente em um pequeno diâmetro e, portanto, podem ser usadas para fornecer eletricidade em grandes cidades ou para conectar fontes de energia renováveis ​​a áreas populosas. Recentemente, o CERN e a Airbus UpNext assinaram um acordo de colaboração para avaliar o uso de transmissão supercondutora para futuros aviões de baixa emissão.

Mas a novidade desse material supercondutor não é o único componente secreto para uma linha de transferência supercondutora sustentável.

"Uma das belezas desse novo sistema é que a operação criogênica do Link Supercondutor é feita a custo zero, pois transfere o gás hélio que, de qualquer forma, é necessário para resfriar os cabos de corrente", diz Amalia Ballarino, vice-líder do Grupo de ímãs, supercondutores e criostatos do CERN. "Portanto, os links supercondutores atuam tanto como hélio quanto como linha de transferência elétrica."

A instalação SM18 do CERN continuará hospedando a montagem e os testes dos Superconducting Links – dez, no total, para o HL-LHC – até que sejam instalados no túnel do LHC durante o Long Shutdown 3, programado para começar em 2026. O primeiro HL- O LHC Superconducting Link entrará em operação este ano, quando será conectado ao criostato com os condutores de corrente HTS REBCO (óxido de cobre de bário de terras raras) de um lado e às conexões Nb–Ti do outro. A integração dessas novas tecnologias importantes (novos cabos supercondutores feitos de MgB2, criostatos flexíveis longos e de baixa carga de calor estático e cabos de corrente REBCO HTS) marca o início de uma abordagem sustentável para a transmissão elétrica para o futuro dos aceleradores do CERN, começando com o HL- LHC.