¿Cuáles son las aplicaciones de los superconductores?
La resonancia magnética se ha convertido rápidamente en producción comercial. Hasta ahora, hay más de 700 máquinas de resonancia magnética en el mundo. La producción de productos se concentra principalmente en los Estados Unidos y Alemania, siendo Estados Unidos la mayor parte. alrededor del 70%, entre los tipos de imanes, los imanes superconductores representan alrededor del 95% de todos los productos.
La separación magnética superconductora es un método para clasificar diversas sustancias en función de sus diferencias en propiedades magnéticas y densidad. Dado que diferentes partículas en la copa magnética se ven afectadas por diferentes fuerzas magnéticas y mecánicas en el espacio de clasificación del dispositivo de separación magnética, se moverán a lo largo de diferentes caminos, de modo que los productos magnéticos y los productos no magnéticos puedan recogerse respectivamente.
Los imanes superconductores tienen características incomparables de bajo consumo de energía, lo que reduce en gran medida los costos operativos del dispositivo de separación. Aunque la inversión inicial es ligeramente mayor que la de los imanes convencionales, los costos operativos son muy bajos y se espera que se reduzcan. en un 90% por encima.
El almacenamiento de energía superconductor tiene muchas ventajas en comparación con otras tecnologías de almacenamiento de energía. Tiene una alta densidad de almacenamiento de energía, una alta eficiencia de almacenamiento de energía (90 % a 95 %) y no hay pérdida de eficiencia al liberar energía.
La tecnología de almacenamiento de energía superconductora tiene muchos usos importantes. Desempeña un papel importante en el ahorro de energía eléctrica, mejora la estabilidad de la red y regula las cargas máximas del sistema eléctrico. También se puede utilizar como fuente de energía para estaciones espaciales. y como receptor de energía por impulsos para reacciones termonucleares controladas, armas láser, armas de rayos de partículas, cañones de rieles electromagnéticos, etc.
Reemplazar el rotor de un generador convencional por una bobina superconductora forma un generador síncrono superconductor. En comparación con los generadores convencionales, los generadores superconductores tienen las siguientes ventajas: menos pérdidas mecánicas y de ventilación. Aunque la pérdida de potencia del sistema de refrigeración aumenta, las pérdidas de todo el sistema de generación de energía son sólo la mitad de las de los generadores convencionales, lo que convierte al generador superconductor en un generador superconductor. más eficiente La eficiencia aumenta entre un 0,5% y un 0,8% (la eficiencia del generador convencional es del 98%, la eficiencia del generador superconductor es del 99%).
Los generadores superconductores son de tamaño pequeño y livianos, solo entre 1/3 y 1/2 de los generadores convencionales. Tienen pequeña reactancia sincrónica y buena estabilidad. Dado que se omite el núcleo de hierro, se reducen los requisitos de aislamiento a tierra del devanado del inducido. Por lo tanto, se puede utilizar el devanado del inducido, se omite el transformador elevador y la red eléctrica se puede poner en funcionamiento directamente con la energía existente. red.
A nivel internacional, se cree que los generadores síncronos superconductores serán la fuerza principal de las futuras centrales eléctricas, y están luchando por llevar a cabo trabajos de investigación y desarrollo. Los generadores de mayor capacidad que se han desarrollado son los generadores de 300.000 kilovatios en la ex Unión Soviética y Francia. Estados Unidos y Japón no tienen prisa por desarrollar generadores de millones de kilovatios. Los generadores que han desarrollado tienen capacidades de 30.000 kilovatios y 50.000 kilovatios respectivamente. Japón planea desarrollar el generador más grande del país, de 200.000 kilovatios.
La capacidad de las centrales eléctricas aumenta con el aumento de la demanda de energía. Por lo tanto, la tecnología de transmisión de energía de alta potencia, larga distancia y bajas pérdidas es muy importante para mejorar los beneficios económicos de la transmisión de energía. Los superconductores tienen características de resistencia cero, pueden transmitir enormes corrientes y energía sin pérdida de energía eléctrica, por lo que el sistema de transmisión de energía superconductor definitivamente traerá grandes cambios.
En el mundo actual, aumentar la velocidad del transporte terrestre es muy importante para promover el desarrollo económico nacional y mejorar la calidad de vida de las personas. Los vehículos ferroviarios tradicionales tienen una velocidad limitada debido al severo desgaste de las ruedas y los rieles, así como a la fricción entre las ruedas y los rieles. Este tipo de locomotora está actualmente diseñada para alcanzar una velocidad máxima de 274 km/h, con una velocidad media de funcionamiento de 209 km/h. En la década de 1960, Francia, el Reino Unido y los Estados Unidos produjeron locomotoras de colchón de aire montadas sobre rieles, que podían circular a velocidades de hasta 160 kilómetros por hora entre ciudades. Sin embargo, el desarrollo de los hoverboards se ha estancado debido al creciente interés en el maglev.
Los japoneses diseñaron un sistema de suspensión eléctrica que utiliza imanes superconductores hechos de materiales superconductores como el niobio líquido refrigerado por helio (-269°C). Su resistencia a -269°C es cero, utilizando la fuerza repulsiva. de imanes superconductores para formar un espacio de 10 a 15 centímetros entre la vía y el tren. Un pequeño modelo de tren de demostración batió el récord mundial de 517 kilómetros por hora. Su recorrido de prueba tenía una longitud de 6,5 kilómetros. El material superconductor utilizado fue NbTi, que se enfrió a 5 K con helio líquido.
Los trenes de levitación magnética tienen una serie de ventajas en comparación con los trenes tradicionales, superando las limitaciones de velocidad de los trenes tradicionales; la operación sin contacto supera los obstáculos del clima severo (como la lluvia, la nieve o el hielo); -contacto No hay desgaste mecánico durante la operación, lo que reduce los costos de mantenimiento ya que no hay partes móviles, la confiabilidad del sistema mejora enormemente porque solo se usa energía eléctrica, es más significativo para países con suministro de petróleo escaso; puede ahorrar energía, y el consumo de energía de 100 kilómetros es sólo el de un avión o 1/4 de un automóvil, lo que aumenta considerablemente la capacidad de transporte de pasajeros y tiene un gran mercado potencial; Las vibraciones se reducen considerablemente, lo que es beneficioso para proteger el medio ambiente.
Los aceleradores de partículas son el principal equipo para estudiar cuestiones básicas sobre el universo y la materia. Estados Unidos está a la vanguardia mundial en la construcción de aceleradores. Con el desarrollo de la tecnología superconductora, en 1988, la Fundación Nacional de Ciencias aprobó el plan para construir el acelerador de partículas más potente hasta la fecha, el Super Superconducting Collider (SSC), con un presupuesto de tres años de 3.200 millones de dólares. Está previsto poner en funcionamiento el Super Colisionador Superconductor en 1999. El Colisionador Superconductor es bastante grande, con un anillo de tuberías de 53 millas tendidas bajo tierra. El Super Colisionador Superconductor acelerará dos haces de protones opuestos a una velocidad de más del 99,9% de la velocidad de la luz. Los imanes superconductores doblan y enfocan los haces de protones para que pasen a través de trayectorias curvas. Los imanes superconductores producen una energía más fuerte que los ferroimanes ordinarios. hace que el radio de curvatura del haz de protones viaje más pequeño, miniaturizando así el tamaño del tubo anular.
Tras el descubrimiento del efecto Josephson en 1962, aparecieron sucesivamente en 1964 y 1967 dispositivos cuánticos superconductores de CC y dispositivos cuánticos superconductores de radiofrecuencia. Los instrumentos de medición compuestos por dispositivos de interferencia cuántica superconductores tienen una alta sensibilidad al campo magnético, un amplio rango dinámico y excelentes características de respuesta de frecuencia, por lo que tienen una amplia gama de usos. Los dispositivos de interferencia cuántica superconductora se pueden utilizar para detectar señales extremadamente débiles generadas por el corazón y el cerebro humanos, así como interferencias en el campo magnético terrestre generadas por submarinos que se sumergen en el océano, o la distribución del campo magnético en capas geológicas que contienen depósitos de petróleo y minerales.
Desde 1964, los investigadores han utilizado la altísima sensibilidad de los dispositivos superconductores de interferencia cuántica para realizar extensas investigaciones científicas. Puede medir voltaje, corriente y resistencia muy pequeños; puede usarse para encontrar campos petroleros y estudiar energía geotérmica, detectar submarinos, etc. Los científicos de la Universidad de Stanford utilizaron un dispositivo de interferencia cuántica superconductor unido a una varilla de aluminio de 5 toneladas para buscar líneas de radiación gravitacional. Los dispositivos de interferencia cuántica superconductores son extremadamente versátiles. Casi todos los instrumentos electrónicos que utilizan superconductores implican dispositivos de interferencia cuántica superconductores. Con el desarrollo de la tecnología superconductora, la aplicación de dispositivos superconductores de interferencia cuántica se expandirá inevitablemente.
Muchos científicos creen firmemente que las futuras computadoras rápidas de gran capacidad definitivamente utilizarán superconductores, es decir, computadoras de ultra alta velocidad que utilizarán elementos de Josephson. Como se mencionó anteriormente, el llamado efecto Josephson significa que cuando dos materiales superconductores se colocan muy cerca uno del otro, la corriente fluirá incluso si el material entre ellos está aislado. En pocas palabras, los dispositivos que utilizan este efecto se denominan elementos de Josephson. Al ajustar el espesor de la capa aislante entre dos superconductores, la corriente puede fluir sólo cuando el voltaje es mayor que un cierto valor, y no cuando el voltaje es menor que un cierto valor. El elemento Josephson aprovecha este fenómeno.
Este fenómeno es igual que el de los diodos semiconductores, por lo que se puede utilizar en ordenadores. Sin embargo, los dispositivos Josephson tienen una velocidad de conmutación extremadamente alta (de 10 a 100 veces mayor que la de los dispositivos de silicio) y un bajo consumo de energía (menos de una milésima parte del del silicio), por lo que generan muy poco calor y pueden alcanzar un tamaño pequeño y una alta densidad. Por ejemplo, Nippon Electric Corporation desarrolló nuevos circuitos lógicos utilizando elementos Josephson que podían abrir y cerrar puertas a una velocidad de una billonésima de segundo.
Además, la superconductividad también puede usarse ampliamente en detectores de radiación, procesadores de señales analógicas, escudos magnéticos superconductores, referencias de voltaje, etc.
En términos de sistemas de defensa nacional, la tecnología superconductora también puede desempeñar un papel en el ejército. En términos de corriente débil, se utiliza para comunicaciones submarinas, detección de submarinos, teledetección, remoción de minas, etc.; se fabrica en dispositivos de microondas de alta frecuencia y detectores de infrarrojos para radares, comunicaciones por microondas y receptores de satélites terrestres; los sistemas de alimentación se utilizan para misiles y satélites; procesadores de datos y señales digitales, etc. En términos de electricidad fuerte, el fuerte campo magnético generado por materiales superconductores de alta densidad de corriente y las características de las bobinas superconductoras de almacenamiento de energía que pueden almacenar grandes cantidades de energía se utilizan principalmente como fuentes de energía para armas, lo que puede reducir el tamaño y el peso de la energía. equipo de almacenamiento. El programa "Star Wars" de Estados Unidos invirtió 50 millones de dólares en investigaciones en este ámbito.
Se estima que el imán superconductor de baja temperatura utilizado en el estudio tiene una densidad de almacenamiento de energía muy alta y se libera en picosegundos.
Los potentes imanes superconductores se utilizan en los sistemas de propulsión de barcos. Estados Unidos ha utilizado materiales superconductores de baja temperatura para fabricar un motor CC experimental de 3 megavatios, que se utiliza en sistemas de propulsión de barcos y ha sido probado en el mar. El motor es un 33% más pequeño que un motor tradicional refrigerado por aire de la misma potencia. De hecho, el uso de materiales superconductores de baja temperatura y la tecnología actual pueden reducir aún más el peso del motor. Por ejemplo, un motor de CC unipolar superconductor con una potencia de 30.000 kilovatios pesa solo una cuarta parte del peso de un motor de CA. el mismo poder hoy. Estados Unidos está desarrollando motores superconductores de esta escala y Japón también está realizando investigaciones experimentales sobre modelos pequeños.
Cañón de riel de electrones superconductores. La organización estadounidense del proyecto "Star Wars" apoya la investigación sobre esta tecnología. La tecnología Railgun se utiliza como acelerador de proyectiles, lo que permite que los proyectiles alcancen velocidades extremadamente altas. Este tipo de sistema de eyección es diferente del sistema de propulsión química. La velocidad del punto final que puede alcanzar el primero no está limitada por la velocidad de expansión del gas, sino que está determinada por la velocidad del pulso electromagnético que viaja, por lo que puede alcanzarlo. velocidades muy altas.
La mayoría de las aplicaciones de la superconductividad de alta temperatura son extensiones de aplicaciones superconductoras de baja temperatura, es decir, materiales superconductores de baja temperatura en equipos y dispositivos superconductores de baja temperatura que son prácticos actualmente o serán prácticos en En el futuro previsible se sustituirán por materiales superconductores de alta temperatura, para reducir costes y ampliar el ámbito de aplicación de la superconductividad. Sin embargo, se enfrentan muchos problemas en la aplicación de la superconductividad a alta temperatura, y sigue siendo un tema de investigación desafiante en la vanguardia de la física.