Superconductivitat a la indústria elèctrica: present i futur

El patró general del nostre temps és la reducció de la bretxa entre un descobriment particular i la seva implementació. Una vegada que aquest interval va arribar a centenars d’anys, ara ha disminuït al mínim. Per exemple, la introducció de la fotografia és de 112 anys després de la seva obertura. Els fertilitzants minerals van començar a utilitzar-se 70 anys després de la seva creació, comunicacions telefòniques - després de 50 anys, emissió de ràdio - després de 35, radar - després de 15, televisió - després de 12, una bomba atòmica - després de 6 anys, un transistor - després de 3 i un làser - després de només 2 anys.

L’inici de l’aplicació tècnica dels superconductors data del 1955, quan es va crear el primer electroimant amb la seva ajuda. Han passat 56 anys des del descobriment de la superconductivitat fins a la seva introducció. Quin és el tema?

Segons alguns físics britànics, aquest retard es deu a dues raons: el desenvolupament insuficient de la tecnologia criogènica i el descobriment de només superconductors suaus i purs. Els materials durs amb paràmetres acceptables tècnicament només es van conèixer el 1930 i, només un quart de segle després, es van crear conductors d’aquests materials. De seguida es va crear un solenoide amb bobinatge superconductor i provar-lo amb èxit. Va néixer la superconductivitat tècnica.

Així, la invenció i l’inici de l’ús de materials superconductors tècnicament adequats van coincidir en el temps (1955). Però la invenció real dels superconductors es va produir, potser, més tard. Després de tot, va ser només el 1963 que es va poder crear cables realment viables, que s’havien de frenar per a l’estabilització tèrmica. Paradoxalment, és un fet: la introducció de superconductors va començar vuit anys abans que el seu descobriment real.

Avui en dia, els superconductors s’utilitzen pràcticament en física, on s’han utilitzat grans instal·lacions de recerca i nous dispositius des de fa molts anys. Des de la premsa es coneixen aplicacions senzilles de motors elèctrics superconductors, giroscopis, solenoides en vaixells, aeronaus. A la medicina, han aparegut metres superconductors de camps magnètics creats per organismes vius.

L’ús de superconductors en el sector energètic i en el transport és molt rellevant. Aquí, els treballs preparatoris continuen des de fa molts anys, però les màquines i cables nous encara no estan en funcionament. Per què?

Hi ha moltes raons que posposen la data de l’ús massiu de superconductors en l’economia nacional. Per exemple, no va ser fàcil desenvolupar una teoria de la superconductivitat, però no és menys difícil que els enginyers dominin aquesta teoria. Una tasca inesperadament difícil va ser la construcció de cables superconductors, no hi ha cap altra paraula per al procés de creació d’una composició d’elements múltiples a partir de diferents metalls. La producció de cintes, pneumàtics i cables superconductors va requerir el desenvolupament d’una tecnologia especial, la creació de màquines especials i fins i tot noves indústries.

Les grans dificultats s’associen al subministrament criogènic d’objectes superconductors, perquè la superconductivitat només sorgeix a temperatures molt baixes. Es requerien camions refrigerats de gran potència.

El desenvolupament de la tecnologia criogènica és impensable sense l’ús d’un buit profund, de manera que cal aprendre a rebre-la i mantenir-la. I, per descomptat, mesures: necessitem sensors i dispositius especials, cables de control que passin per cavitats amb diferents temperatures.

Però quan es pugui superar totes aquestes dificultats, no serà fàcil resoldre el problema elèctric. Fins ara, a l’enginyeria elèctrica d’alta potència s’utilitzen generalment corrents de desenes a centenars d’amperis, i és viable tècnicament i econòmicament transferir corrents milers de vegades més alts mitjançant superconductors. Però, són necessàries instal·lacions multi-amp?

Aquestes instal·lacions existeixen, però són poques. No és fàcil crear-los, perquè la capacitat de càrrega actual de conductors tradicionals, coure i alumini, és limitada. Ara que amb l’ajuda de superconductors és possible augmentar repetidament les densitats de corrent i els propis corrents, seria realista parlar de la modernització de totes les instal·lacions d’energia elèctrica, des de les plantes d’energia elèctrica fins als consumidors. Però, cal un ajust? Si no, per què crear components elèctrics superconductors?

Aquestes unitats han de ser multi-ampere, això és innegable. Al cap i a la fi, els superconductors són un meravellós material conductor. Però els circuits elèctrics estan dissenyats per a petits corrents i tensions molt altes. Bé, incorporeu objectes multi-ampere en circuits d'ampere baix? No realista. I és una tasca enorme la reestructuració completa de tots els equips d’energia elèctrica. Els superconductors trobaran realment el seu lloc només en instal·lacions físiques úniques?

Tot i així, les dificultats del problema relacionades amb la introducció de superconductors s’estan solucionant progressivament. Quan es va iniciar el treball aplicat amb superconductors, la manca de personal entrenat, nous materials, equips i dispositius va ser especialment acusada. Però tot i així, un darrere l’altre, van sorgir petits models. Hi ha hagut una demanda constant de nous cables, fluiditzadors, instruments i sensors. Físics i matemàtics participen en la resolució de problemes purament pràctics: determinar camps i corrents crítics, avaluar les pèrdues de CA, calcular el comportament termostable dels superconductors en heli líquid.

Avui en dia, centenars d'equips de recerca es dediquen als problemes de la superconductivitat tècnica. S'han identificat plans de recerca a llarg termini, s'han elaborat cadenes de treball, s'han llestat les llistes d'instal·lacions.

En conjunt, es pot considerar que el treball de cerca necessari per crear les mostres principals dels superconductors de l’equip es va realitzar al voltant d’un 30-50%. Entre els models creats hi ha electroimants per a la investigació física i els turbogeneradors, motors, transformadors i seccions de cable superconductors, coixinets i aparells.

"Els propers anys seran crucials per a la transició de superconductors dels laboratoris a la indústria per a aplicacions a gran escala", afirma dues vegades guanyador del premi Nobel J. Bardin.

Més informació sobre el futur de la superconductivitat en el proper article.

Mikhail Txernov electro-ca.tomathouse.com

Continuació:

El futur són els superconductors