La UB fabrica el segmento de hilo superconductor de mayor rendimiento del mundo

Sin embargo, estas aplicaciones a gran escala no se producirán hasta que los hilos HTS puedan fabricarse con una relación calidad-precio equivalente a la de los hilos de cobre que se venden en las ferreterías.

Una nueva investigación dirigida por la Universidad de Buffalo nos acerca a ese objetivo. En un estudio, los investigadores informan de que han fabricado el segmento de alambre HTS de mayor rendimiento del mundo, con una relación calidad-precio mucho más favorable.

Basados en óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO), sus alambres alcanzaron la mayor densidad de corriente crítica y fuerza de fijación -la cantidad de corriente eléctrica transportada y la capacidad de fijar vórtices magnéticos, respectivamente- registradas hasta la fecha para todos los campos magnéticos y temperaturas de 5 kelvin a 77 kelvin.

Este intervalo de temperaturas sigue siendo extremadamente frío -de 451 a 321 grados Fahrenheit bajo cero-, pero superior al cero absoluto al que funcionan los superconductores tradicionales.

"Estos resultados ayudarán a orientar a la industria hacia una mayor optimización de las condiciones de deposición y fabricación para mejorar significativamente la relación precio-rendimiento en los conductores recubiertos comerciales", afirma el autor del estudio, Amit Goyal, PhD, Catedrático Distinguido de SUNY y Catedrático de Innovación SUNY Empire en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB. "Es necesario hacer que la métrica precio-rendimiento sea más favorable para realizar plenamente las numerosas aplicaciones previstas a gran escala de los superconductores".

Los hilos HTS tienen muchas aplicaciones

Las aplicaciones de los hilos HTS incluyen la generación de energía, como la duplicación de la potencia generada por los generadores eólicos marinos; los sistemas magnéticos superconductores de almacenamiento de energía a escala de red; la transmisión de energía, como la transmisión sin pérdidas de potencia en líneas de transmisión de corriente continua y alterna de alta intensidad; y la eficiencia energética en forma de transformadores superconductores, motores y limitadores de corriente de fallo de alta eficiencia para la red.

Sólo una de las aplicaciones de los hilos HTS, la fusión nuclear comercial, tiene el potencial de generar energía limpia sin límites. Sólo en los últimos años, se han fundado en todo el mundo unas 20 empresas privadas para desarrollar la fusión nuclear comercial, y se han invertido miles de millones de dólares en el desarrollo de hilos HTS sólo para esta aplicación.

Otras aplicaciones de los hilos HTS son la resonancia magnética nuclear (RMN) de nueva generación para el descubrimiento de fármacos y los imanes de alto campo para numerosas aplicaciones físicas. También existen numerosas aplicaciones de defensa, como en el desarrollo de barcos y aviones totalmente eléctricos.

En la actualidad, la mayoría de las empresas de todo el mundo que fabrican cables HTS kilométricos de alto rendimiento utilizan una o varias de las innovaciones tecnológicas de plataforma desarrolladas anteriormente por Goyal y su equipo.

Entre ellas se encuentran la tecnología de sustratos texturados biaxialmente mediante laminación (RABiTS), la tecnología de MgO mediante deposición asistida por haz de iones (IBAD) y los defectos nanocolumnares a distancias nanométricas mediante separación de fases simultánea y tecnología de autoensamblaje por deformación. En una entrevista reciente de Superconductor Week con Goyal se destacan y comentan los detalles de estas tecnologías.

Récord mundial de densidad de corriente crítica y fuerza de fijación

En el presente trabajo, publicado en Nature Communications, el grupo de Goyal presenta unos hilos superconductores de alto rendimiento basados en REBCO.

A 4,2 kelvin, los hilos HTS transportaron 190 millones de amperios por centímetro cuadrado sin ningún campo magnético externo, también conocido como campo propio, y 90 millones de amperios por centímetro cuadrado con un campo magnético de 7 tesla.

A una temperatura más cálida de 20 kelvin -la temperatura de aplicación prevista para la fusión nuclear comercial-, los hilos aún podrían transportar más de 150 millones de amperios por centímetro cuadrado con campo propio y más de 60 millones de amperios por centímetro cuadrado a 7 tesla.

En términos de corriente crítica, esto corresponde a un segmento de alambre de 4 milímetros de ancho a 4,2 kelvin con una supercorriente de 1.500 amperios en autocampo y 700 amperios a 7 tesla. A 20 kelvin, son 1.200 amperios en campo propio y 500 amperios a 7 tesla.

Cabe destacar que la película HTS del equipo, a pesar de tener sólo 0,2 micras de grosor, puede transportar una corriente comparable a la de los cables superconductores comerciales con una película HTS casi 10 veces más gruesa.

En cuanto a la fuerza de inmovilización, los hilos mostraron una gran capacidad para mantener los vórtices magnéticos inmovilizados o en su sitio, con fuerzas de unos 6,4 teranewtons por metro cúbico a 4,2 kelvin y de unos 4,2 teranewtons por metro cúbico a 20 kelvins, ambos bajo un campo magnético de 7 tesla.

Se trata de los valores más altos de densidad de corriente crítica y fuerza de pinning registrados hasta la fecha para todos los campos magnéticos y temperaturas de funcionamiento de 5 kelvin a 77 kelvin.

"Estos resultados demuestran que aún es posible mejorar notablemente el rendimiento y, por tanto, reducir los costes asociados a los hilos HTS comerciales optimizados", afirma Goyal.

Fabricación del hilo de alto rendimiento

El segmento de hilo HTS se fabricó en sustratos con la tecnología (IBAD) MgO y utilizando los defectos nanocolumnares mediante la tecnología simultánea de separación de fases y autoensamblaje por deformación. La tecnología de autoensamblaje permite incorporar nanocolumnas aislantes o no superconductoras a distancias de escala nanométrica dentro del superconductor. Estos nanodefectos pueden fijar los vórtices superconductores, permitiendo supercorrientes más elevadas.

"La alta densidad de corriente crítica fue posible gracias a la combinación de los efectos de anclaje del dopaje de tierras raras, los defectos puntuales de oxígeno y las nanocolumnas aislantes de zirconato de bario y sus morfologías", explica Goyal.

"La película HTS se fabricó con un avanzado sistema de deposición por láser pulsado mediante un cuidadoso control de los parámetros de deposición", añade Rohit Kumar, investigador postdoctoral del Laboratorio de Crecimiento Heteroepitaxial de Materiales y Dispositivos Funcionales de la UB, que dirige Goyal.

En la deposición por láser pulsado, un rayo láser incide sobre un material objetivo y ablaciona el material que se deposita en forma de película sobre un sustrato colocado adecuadamente.

"También realizamos microscopía de resolución atómica con los microscopios más avanzados del Centro Canadiense de Microscopía Electrónica de la Universidad McMaster para caracterizar defectos nanocolumnares y a escala atómica, y también efectuamos algunas mediciones de propiedades superconductoras en la Università di Salerno (Italia)", explica Goyal.