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Materiales Superconductores (página 3)

Enviado por Ezequiel Vallo



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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.

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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

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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 integradosFuerza 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.*

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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

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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:

Electroimanes convencionales

Electroimanes superconductores

 

El campo magnético necesario puede ser generado por electroimanes convencionales hechos de metales normales, a causa de la presencia de material ferromagnético

 

Los electroimanes superconductores hacen posible generar un campo magnético intenso en un volumen grande

 

El uso de electroimanes de metal normal requiere una pequeña brecha de alrededor de 1 cm entre el material ferromagnético y los electroimanes. Aun con un diseño óptimo, utilizando metal normal, el costo es mucho menor cuando se utilizan electroimanes superconductores

La brecha entre los electroimanes y el material conductor puede ser, al menos, de una magnitud mayor que para el caso de elctroimanes convenvionales.Esto es fundamental para el diseño de operación de vehículos de alta velocidad.

 

La fuerza magnética aumenta cuando la brecha se hace más pequeña y disminuye cuando aumenta, lo cual significa que el sistema es inherentemente inestable, y para lograr su estabilización es necesario que tenga un mecanismo de retroalimentación que le permita regular la corriente y, por tanto, la fuerza atractiva.

 

Al tener una mayor brecha es sistema es estables con lo que respecta a su posición vertical.

Tipos de bobinas superconductoras para el transporte levitado.

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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.

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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

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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*.

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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.*

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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.

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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

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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 nueva generación 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.

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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.

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 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.

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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 superconductores AMSC 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.

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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

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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.

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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*

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Carcasa criogénica con sistema de enfriamiento

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Cilindro HTS con 270 cristales YBCO

individuales montados en dos semicilindros de Cobre[5]

 

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