El gran enfriamiento cuántico: científicos del NIST modifican un frigorífico de laboratorio común para que se enfríe más rápido con menos energía
Se ha reducido drásticamente el tiempo y la energía necesarios para enfriar materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto
Modificando un refrigerador de uso común en la investigación y la industria, investigadores del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) han reducido drásticamente el tiempo y la energía necesarios para enfriar materiales a unos pocos grados por encima del cero absoluto. Los científicos afirman que su dispositivo prototipo, que ahora trabajan para comercializar con un socio industrial, podría ahorrar anualmente unos 27 millones de vatios de potencia, 30 millones de dólares en consumo mundial de electricidad y agua de refrigeración suficiente para llenar 5.000 piscinas olímpicas.
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Desde la estabilización de los qubits (la unidad básica de información en un ordenador cuántico) hasta el mantenimiento de las propiedades superconductoras de los materiales y la conservación del telescopio espacial James Webb de la NASA lo suficientemente frío como para observar los cielos, la refrigeración ultrafría es esencial para el funcionamiento de muchos dispositivos y sensores. Durante décadas, el refrigerador de tubo pulsado (PTR) ha sido el dispositivo estrella para alcanzar temperaturas tan frías como el vacío del espacio exterior.
Estos refrigeradores comprimen (calientan) y expanden (enfrían) cíclicamente gas helio a alta presión para conseguir el "Gran Frío", de forma análoga a como un frigorífico doméstico utiliza la transformación de freón de líquido a vapor para eliminar el calor. Durante más de 40 años, el PTR ha demostrado su fiabilidad, pero también consume mucha energía, más que cualquier otro componente de un experimento de temperaturas ultrabajas.
Cuando Ryan Snodgrass, investigador del NIST, y sus colegas examinaron más de cerca el refrigerador, descubrieron que los fabricantes habían construido el dispositivo para que fuera eficiente energéticamente sólo a su temperatura final de funcionamiento de 4 kelvin (K), o 4 grados por encima del cero absoluto. El equipo descubrió que estos frigoríficos son extremadamente ineficientes a temperaturas más altas, un gran problema porque el proceso de enfriamiento comienza a temperatura ambiente.
Durante una serie de experimentos, Snodgrass, junto con los científicos del NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo y Scott Backhaus, descubrieron que, a temperatura ambiente, el gas helio estaba sometido a una presión tan alta que parte de él se desviaba a través de una válvula de alivio en lugar de utilizarse para refrigerar. Cambiando las conexiones mecánicas entre el compresor y el frigorífico, el equipo consiguió que no se desperdiciara nada de helio, lo que mejoró enormemente la eficiencia del frigorífico.
En concreto, los investigadores ajustaron continuamente una serie de válvulas que controlan la cantidad de gas helio que fluye del compresor al frigorífico. Los científicos descubrieron que si permitían que las válvulas tuvieran una mayor abertura a temperatura ambiente y luego las cerraban gradualmente a medida que avanzaba el enfriamiento, podían reducir el tiempo de enfriamiento a entre la mitad y la cuarta parte del actual. En la actualidad, los científicos deben esperar un día o más para que los nuevos circuitos cuánticos se enfríen lo suficiente como para poder probarlos. Dado que el progreso de la investigación científica puede verse limitado por el tiempo que se tarda en alcanzar temperaturas criogénicas, el enfriamiento más rápido que proporciona esta tecnología podría repercutir ampliamente en muchos campos, incluida la informática cuántica y otras áreas de investigación cuántica. La tecnología desarrollada por el equipo del NIST también podría permitir a los científicos sustituir los grandes refrigeradores de tubo de impulsos por otros mucho más pequeños, que requieren menos infraestructura de apoyo, explicó Snodgrass.
La necesidad de estos refrigeradores aumentará enormemente a medida que crezca la investigación en computación cuántica y su dependencia de la tecnología criogénica. El PTR modificado ahorraría entonces una cantidad mucho mayor de dinero, energía eléctrica y agua de refrigeración. Además de apoyar una floreciente economía cuántica, el dispositivo también agilizaría la investigación porque los científicos ya no tendrían que esperar días o semanas a que se enfriaran los qubits y otros componentes cuánticos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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