Por J. C. González
Ya se empieza a vislumbrar las aplicaciones comerciales de los superconductores de alta temperatura, sobre todo en lo referente a las aplicaciones potenciales en dispositivos de potencia eléctrica. Existe actualmente un gran interés y una coordinación de diferentes países, instituciones científicas y empresas por sacarlas adelante.
Electricidad y Superconductividad
La electricidad – es uno de nuestros milagros científicos modernos, hoy en día no podríamos imaginarnos vivir sin ella. Cuando enciendes una bombilla en casa, el flujo de la corriente eléctrica es conducido a través de un alambre de cobre o
aluminio. El alambre produce una resistencia al flujo de la electricidad, y esta resistencia es algo muy parecido a la fricción. La resistencia produce que algo de electricidad se pierde en forma de calor. Lo cual significa que cada vez que utilizas un electrodoméstico, tal como una radio o un generador, uno no le esta entregando el 100% de la energía eléctrica que fluye a través de él, sino que algo de energía se desperdicia debido a la resistencia del conductor.Pero, ¿podemos evitar estas pérdidas? La respuesta es si, mediante la utilización del fenómeno de la superconductividad. La superconductividad tiene el potencial para evitar estas pérdidas, al mejorar la capacidad, calidad y fiabilidad de los productos que utilizan electricidad.
La superconductividad – la capacidad de un material de conducir electricidad sin pérdidas debido a la resistencia eléctrica del conductor, es una propiedad física inherente a una variedad de metales y cerámicas. Pero es dependiente de la temperatura; esto es, un material no exhibirá el estado superconductor a menos que éste sea enfriado suficientemente por debajo de cierta temperatura denominada temperatura crítica.
Se puede distinguir dos tipos de materiales superconductores, los superconductores de baja temperatura crítica (SBT) y los de alta temperatura crítica (SAT). Los SBT son conductores perfectos de a electricidad y excluyen totalmente de su interior débiles campos magnéticos aplicados. Por otro lado, los SAT son también conductores perfectos de la electricidad, sus propiedades magnéticas son más complejas. En este artículo estamos interesados en los SAT y sus potenciales aplicaciones.
Los materiales superconductores tienen muchas ventajas muy marcadas comparados con los conductores convencionales, tales como los alambres de cobre o aluminio: ellos pueden transportar grandes densidades de corriente sin pérdida de energía debido a la resistencia, y crear campos magnéticos muy intensos. Estas dos importantes propiedades los convierten en excelentes candidatos para aplicaciones en dispositivos de potencia eléctrica.
Las aplicaciones en dispositivos de potencia eléctrica que ahora son utilizadas por alambres convencionales de cobre y aluminio – tales como motores, generadores, cables de transmisión y transformadores – se beneficiarán de esta nueva y excitante tecnología. Motores, transformadores superconductores y otras aplicaciones utilizando alambres superconductores de alta temperatura serán la mitad de tamaño que las máquinas convencionales pero con la misma razón de potencia, y sin embargo poseerán la mitad de las pérdidas de energía. Esto será de enorme beneficio, por ejemplo, para la forma como la electricidad se genera, se reparte y se utiliza.
Aplicaciones de Dispositivos de Potencia Eléctrica
Una variedad de aplicaciones para los alambres superconductores de alta temperatura en dispositivos de potencia eléctrica están ingresando al mercado o se encuentran en desarrollo. Estas aplicaciones tienen el potencial de crear una nueva y próspera industria que servirá a los grandes mercados. Los equipos y componentes de dispositivos de potencia eléctrica están actualmente siendo diseñados a incorporar la tecnología superconductora que operará más eficientemente y con menos gasto que sus alternativas convencionales.
La superconductividad ha estado en el mercado por más de 25 años, en equipos tales como imágenes mediante resonancia magnética (IRM), separadores magnéticos, magnetos, resonancia magnética nuclear (RMN) y dispositivos físicos de alta energía tales como los aceleradores de partículas y en los detectores de partículas utilizados por los astrónomos. Todos estos sistemas están construidos por medio de alambres superconductores de baja temperatura. Los fabricantes han empezado a considerar las posibles formas de los materiales superconductores de alta temperatura que deberán mejorar el rendimiento y disminuir el costo de estos sistemas, con lo cual se podría continuar dependiendo primariamente de los alambres superconductores de baja temperatura en un corto plazo. Para posteriormente reemplazarlos por los superconductores de alta temperatura a largo plazo.
A continuación se describirá brevemente las aplicaciones en dispositivos de potencia eléctrica de los superconductores de alta temperatura crítica.
1) Imágenes mediante Resonancia Magnética (IRM)
El núcleo de una máquina de IRM es un poderoso magneto. Los sistemas de IRM construidos con magnetos de materiales SAT podrían eventualmente ser más pequeños y más poderosos de lo que son ahora posibles con los sistemas basados en SBT. Además, los avances en IRM, han sido posible mediante la
tecnología de los SAT. Además, se podría reducir el precio de las imágenes médicas haciéndolas mucho más accesibles a la población, al disminuir también los costos por el líquido refrigerante (nitrógeno líquido por helio líquido).2) Separadores Magnéticos
La capacidad de separar materiales selectivamente es una valiosa ayuda en numerosas industrias. Las técnicas de separación magnética purifican materiales mixtos con diferentes propiedades magnéticas. Por ejemplo, el agente blanqueador para el papel, la arcilla de caolín, Al2O3.2SiO2.2H2O, y para pigmentos, el TiO2, son purificados en grandes cantidades al pasar una mezcla de material sin procesar o sin separar a través del centro de un gran magneto. El material que es gris con impurezas cuando entra al separador se transforma en blanco puro al salir.
Un separador magnético construido con bobinas de SAT podría ser más eficiente que los dispositivos basados en SBT debido a la reducción de necesidades de refrigeración, y del intenso campo magnético creado por la tecnología de los SAT podría incrementar la razón de procesamiento. Entonces, convirtiendo la bobina a componentes de materiales SAT, podríamos utilizarlo para separar minerales muy diminutos o de menor valor para ser provechosamente procesados, y podría ser posibles nuevos tipos de separación de materiales.
3) Cables de Transmisión
La principal atracción de los cables de materiales SAT es el transporte de tres o cinco veces más corriente que los cables de cobre convencionales. Algunos diseños de cables SAT están basados en reutilizar las líneas existentes bajo tierra que mantienen una baja capacidad debido a que los cables convencionales presentan muchas pérdidas. En estos sistemas, el alambre SAT esta tejido alrededor de un tubo central que transporta el liquido refrigerante (tal como nitrógeno líquido, a 92K de temperatura). Las múltiples capas de aislante eléctrico y térmico protegen el montaje. Los antiguos cables en muchas áreas urbanas pueden ser reemplazados con cable SAT, permitiendo el incremento de la potencia de transmisión a través de los conductos existentes, cubriendo las necesidades actuales de energía eléctrica de la población. Tales líneas de transmisión podrían reducir las tarifas eléctricas, pues casi el 15% de la factura de luz proviene de las pérdidas debido a la resistencia eléctrica de los conductores convencionales.
4) Motores y Generadores
En los motores y generadores convencionales, los campos magnéticos son generados por grandes bobinas de alambre de cobre o aluminio. El alambre SAT puede llevar mucha más corriente eléctrica, lo cual significa sistemas extraordinariamente más pequeños y más poderosos. Por ejemplo, un motor SAT de 1000 caballos de potencia puede ser 50% más pequeño que un motor convencional de la misma potencia.
Las operaciones industriales de toda clase pueden beneficiarse de sistemas que utilizan menos espacio y provean un incremento en la capacidad de trabajo. Además, substituyendo alambre SAT por alambres convencionales se elimina la pérdida de energía debido a la resistencia eléctrica, permitiendo motores y generadores que operan con hasta el 98% y el 99.5% de eficiencia, respectivamente. Los fabricantes esperan que estas unidades motrices encuentren usos industriales, sobre todo, como propulsores de barcos.
5) Transformadores
Los transformadores son dispositivos simples. Su principal propósito es disminuir o incrementar el voltaje para transportar la electricidad más eficientemente. Los voltajes son incrementados o reducidos al inducir una corriente (y fuerza electromotriz) en una bobina por un campo magnético de una segunda bobina. La electricidad pasa generalmente a través de al menos 3 transformadores antes de ser utilizada por el consumidor; 3 a 6% de toda la electricidad generada es perdida debida a los transformadores ineficientes. En un transformador SAT, las bobinas serán construidas de alambres SAT en vez de cobre, reduciendo sus pérdidas a la mitad. Por otro lado, los transformadores SAT serán 50% más pequeños y lo mejor es que producirán menos ruido y no entrañarán ningún peligro de incendio debido a que no requerirán de aceite como líquido refrigerante como en los transformadores convencionales.
6) Limitadores de Corriente
Un limitador de corriente eléctrica protege contra las perturbaciones que pueden ocurrir en el envío de la electricidad hacia el consumidor. Las tormentas eléctricas u otros accidentes pueden enviar un pico muy intenso de energía a través de la red eléctrica, el cual está más allá de su capacidad, y como resultado los interruptores automáticos magnetotérmicos de la red se abren para proteger el sistema de daños catastróficos. Las subestaciones necesitan la ayuda de nuevas opciones para poder sobrellevar estos eventos.
Los limitadores de corriente mediante SAT no están diseñados para reemplazar a los interruptores automáticos magnetotérmicos de la red, pero sí para complementarlos. Estratégicamente colocados en las subestaciones de la red eléctrica, estos dispositivos pueden limitar efectivamente picos de corriente que son experimentados por los interruptores automáticos magnetotérmicos de la red. Un diseño reciente para la protección de torres en una subestación eléctrica incorpora una gran bobina SAT colocada en la línea como un dispositivo absorbedor de energía. Estos es, cuando un pulso grande o pico intenso de corriente llega a la subestación, la bobina SAT automáticamente absorbe el exceso de energía dentro de pocos milisegundos, por tanto, ningún equipo queda expuesto al fallo. De no existir la bobina SAT, los interruptores automáticos magnetotérmicos que podrían ordinariamente activarse, no lo hacen, y todo el sistema funciona como si ningún pico de corriente hubiese existido produciendo el denominado apagón. Esta protección permite incrementar la carga al sistema y proporciona un servicio más fiable a los consumidores protegiendo así sus inversiones.
Epílogo
La superconductividad es comparada frecuentemente con la fibra óptica, la cual revolucionó la industria de las telecomunicaciones, y aún con los transistores, sin los cuales hoy no hubiéramos podido pensar en relojes digitales y computadores personales. La capacidad de estos descubrimientos para transformar nuestro mundo ha superado cualquier aplicación que podríamos haber soñado. La superconductividad seguramente también será el combustible para nuestros sueños.
e-mail: jcgonzalezg@gmail.com
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