Investigadores en la Universidad de Cambridge en Inglaterra, Reino Unido, lograron un nuevo récord mundial —superando al anterior récord de hace más de una década— en superconductividad, a través de la sutil manipulación del superconductor GdBCO, que podrá permitir un avance extraordinario en tecnología de materiales. La superconductividad —al igual que el electromagnetismo y las líneas espectrales atómicas—, es un fenómeno físico de la mecánica cuántica, que posee la peculiaridad de conducir la corriente eléctrica, sin resistencia, sin pérdida de energía, sin emisión de calor, y a la vez generando un campo magnético, que conjuntamente dan una capacidad intrínseca al superconductor, que es utilizada en el desarrollo de aplicaciones, en amplios y variados campos, tales como, el empaquetamiento de componentes electrónicos, el almacenamiento de energía, la protección de redes eléctricas, el transporte de levitación magnética, los generadores eólicos e hidráulicos, los escáneres de resonancia magnética, los detectores ultrasensibles de campos magnéticos, los aceleradores de partículas, y muchas más.
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Los ingenieros emplearon el equivalente de tres toneladas de potencia, dentro de una muestra de material —del tamaño de una pelota de golf— que normalmente es tan frágil como porcelana fina, logrando ‘atrapar’ un campo magnético con una fuerza de 17,6 Tesla —aproximadamente 100 veces más fuerte que el campo generado por el imán de un refrigerador— mediante el superconductor de alta temperatura «óxido de cobre bario y gadolinio» (GdBCO), superando el anterior récord por 0,4 Tesla.
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El hecho de que este récord se haya establecido después de tanto tiempo, es la mejor prueba de cuan exigente es este campo realmente”, dijo el profesor David Cardwell del Departamento de Ingeniería de Cambridge, quien dirigió la investigación en colaboración con Boeing y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en la Universidad Estatal de Florida. “Existen beneficios potenciales auténticos, incluso con pequeños aumentos en el campo.
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Los superconductores son materiales que llevan corriente eléctrica con poca o ninguna resistencia cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura. Mientras que los superconductores convencionales, necesitan ser enfriados cerca del cero absoluto (cero grados en la escala Kelvin, o -273 °C) antes que superconduzcan, los superconductores de alta temperatura lo hacen por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (-196 °C), lo que hace relativamente muy fácil enfriarlos y baratos para manejar.
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La corriente llevada por un superconductor también genera un campo magnético, lo que aumenta la intensidad de campo contenida en el superconductor, transportando así más corriente eléctrica. De última generación, esta práctica puede hacer que los superconductores lleven corrientes, normalmente 100 veces mayor que la del cobre, lo que les da considerables ventajas en rendimiento, sobre los conductores convencionales e imanes permanentes.
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La investigación ha demostrado el potencial de los superconductores de alta temperatura para aplicaciones en una variedad de campos, incluyendo los volantes para el almacenamiento de energía, los ‘separadores magnéticos” usados en el refinamiento de minerales y control de contaminación, y en los trenes monorraíl de levitación de alta velocidad.
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Los superconductores son actualmente usados en aplicaciones médicas y científicas, tales como los escáneres de resonancia magnética, y en el futuro podrían ser utilizados para proteger la red eléctrica, y aumentar la eficiencia de la energía, debido a la cantidad de corriente eléctrica que pueden llevar sin pérdida de energía.
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Técnica en el procedimiento
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El nuevo récord se ha logrado usando muestras de 25 mm de diámetro del superconductor de alta temperatura GdBCO, fabricado en forma de un solo grano grande, usando un método establecido de procesamiento en estado fundido, que reafirma el uso de una técnica relativamente simple. El récord anterior de 17,24 Tesla, establecido en 2003 por un equipo dirigido por el profesor Masato Murakami, del Instituto de Tecnología de Shibaura en Japón, utilizó un tipo altamente especializado de superconductor, parecido pero levemente diferente en composición y estructura.
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Para contener un campo tan grande, el equipo utilizó materiales conocidos como cupratos: láminas finas de cobre y oxígeno separados por tipos más complejos de átomos. Los cupratos fueron los primeros superconductores de alta temperatura que se descubrieron, y tienen el potencial para ser utilizados ampliamente en aplicaciones médicas y científicas.
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Mientras que los superconductores de alta calidad poseen un potencial excepcional para las aplicaciones prácticas, por otra parte, los cupratos pueden ser tan frágiles como la pasta seca cuando se fabrican en forma de cerámica sintetica, por lo que al tratar de contener un fuerte campo magnético dentro de las masas formadas de cupratos, éstas tienden a explotar.
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Con el fin de mantener ‘atrapado’ el campo magnético, los investigadores tuvieron que modificar la microestructura del GdBCO para aumentar su conductancia de corriente y el rendimiento térmico, reforzándola con un anillo de acero inoxidable, que se utilizó para el ‘retractilado’ de las muestras de un solo grano. “Éste ha sido un paso importante para lograr este resultado”, dijo el Dr. John Durrell quien dirigió el experimento en Florida.
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Las líneas de flujo magnético en un superconductor se repelen entre sí fuertemente, haciendo difícil la contención de un enorme campo. Pero, mediante el diseño de la mayor parte de la microestructura, el campo es retenido en la muestra por el llamado ‘centro de fijación de flujos’, que está distribuido en todo el material. “El desarrollo de sitios de fijación eficaces en el superconductor GdBCO, ha sido clave para este éxito”, dijo el Dr. Yun-Hua Shi, quien ha sido responsable del desarrollo de la técnica de fabricación en el proceso de fusión, en la Universidad de Cambridge durante los últimos 20 años.
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El resultado, nunca antes logrado, es haber atrapado el mayor campo magnético en una masa, en un material independiente a cualquier temperatura. “Este trabajo podría anunciar la llegada de los superconductores para aplicaciones en el mundo real”, dijo el profesor Cardwell. “Con el fin de ver los superconductores a granel, aplicados para el uso diario, necesitamos granos más grandes de material superconductor con las propiedades necesarias que hagan posible su fabricación en procesos relativamente estándar”.
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Financiamiento y perspectivas
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“Este récord no se podría haber logrado sin el apoyo de nuestros colegas y socios académicos e industriales”, dijo el profesor Cardwell, quien es el próximo Jefe del Departamento de Ingeniería. “Fue un verdadero esfuerzo de equipo, y uno que esperamos llevar en estos materiales hacia un significativo paso, que nos acerque hacia las aplicaciones prácticas”.
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“Boeing continúa apoyando las aplicaciones prácticas, en esta investigación del material superconductor, y estamos emocionados de las posibilidades que se están abriendo en los recientes avances logrados por el equipo de Cambridge”, dijo Patrick Stokes, quien dirige el portafolio de financiamiento de Boeing en la investigación de la Universidad de Cambridge.
La investigación fue financiada por la empresa Boeing, y por el Consejo de Investigación en Ciencias Físicas e Ingeniería del Reino Unido (EPSRC). El Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, en el que se efectuaron las mediciones, está financiado por la Fundación Nacional de Ciencia, y el Estado de Florida.
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Actualmente vienen siendo desarrolladas una cantidad de aplicaciones específicas, por el equipo de la Universidad de Cambridge y sus colaboradores, y está previsto que las aplicaciones comerciales de los superconductores, para uso general, podrían verse en los próximos cinco años.
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Fuente: University of Cambridge
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Los ingenieros emplearon el equivalente de tres toneladas de potencia, dentro de una muestra de material —del tamaño de una pelota de golf— que normalmente es tan frágil como porcelana fina, logrando ‘atrapar’ un campo magnético con una fuerza de 17,6 Tesla —aproximadamente 100 veces más fuerte que el campo generado por el imán de un refrigerador— mediante el superconductor de alta temperatura «óxido de cobre bario y gadolinio» (GdBCO), superando el anterior récord por 0,4 Tesla.
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El hecho de que este récord se haya establecido después de tanto tiempo, es la mejor prueba de cuan exigente es este campo realmente”, dijo el profesor David Cardwell del Departamento de Ingeniería de Cambridge, quien dirigió la investigación en colaboración con Boeing y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en la Universidad Estatal de Florida. “Existen beneficios potenciales auténticos, incluso con pequeños aumentos en el campo.
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Los superconductores son materiales que llevan corriente eléctrica con poca o ninguna resistencia cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura. Mientras que los superconductores convencionales, necesitan ser enfriados cerca del cero absoluto (cero grados en la escala Kelvin, o -273 °C) antes que superconduzcan, los superconductores de alta temperatura lo hacen por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (-196 °C), lo que hace relativamente muy fácil enfriarlos y baratos para manejar.
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La corriente llevada por un superconductor también genera un campo magnético, lo que aumenta la intensidad de campo contenida en el superconductor, transportando así más corriente eléctrica. De última generación, esta práctica puede hacer que los superconductores lleven corrientes, normalmente 100 veces mayor que la del cobre, lo que les da considerables ventajas en rendimiento, sobre los conductores convencionales e imanes permanentes.
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La investigación ha demostrado el potencial de los superconductores de alta temperatura para aplicaciones en una variedad de campos, incluyendo los volantes para el almacenamiento de energía, los ‘separadores magnéticos” usados en el refinamiento de minerales y control de contaminación, y en los trenes monorraíl de levitación de alta velocidad.
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Los superconductores son actualmente usados en aplicaciones médicas y científicas, tales como los escáneres de resonancia magnética, y en el futuro podrían ser utilizados para proteger la red eléctrica, y aumentar la eficiencia de la energía, debido a la cantidad de corriente eléctrica que pueden llevar sin pérdida de energía.
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Técnica en el procedimiento
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El nuevo récord se ha logrado usando muestras de 25 mm de diámetro del superconductor de alta temperatura GdBCO, fabricado en forma de un solo grano grande, usando un método establecido de procesamiento en estado fundido, que reafirma el uso de una técnica relativamente simple. El récord anterior de 17,24 Tesla, establecido en 2003 por un equipo dirigido por el profesor Masato Murakami, del Instituto de Tecnología de Shibaura en Japón, utilizó un tipo altamente especializado de superconductor, parecido pero levemente diferente en composición y estructura.
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Para contener un campo tan grande, el equipo utilizó materiales conocidos como cupratos: láminas finas de cobre y oxígeno separados por tipos más complejos de átomos. Los cupratos fueron los primeros superconductores de alta temperatura que se descubrieron, y tienen el potencial para ser utilizados ampliamente en aplicaciones médicas y científicas.
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Mientras que los superconductores de alta calidad poseen un potencial excepcional para las aplicaciones prácticas, por otra parte, los cupratos pueden ser tan frágiles como la pasta seca cuando se fabrican en forma de cerámica sintetica, por lo que al tratar de contener un fuerte campo magnético dentro de las masas formadas de cupratos, éstas tienden a explotar.
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Con el fin de mantener ‘atrapado’ el campo magnético, los investigadores tuvieron que modificar la microestructura del GdBCO para aumentar su conductancia de corriente y el rendimiento térmico, reforzándola con un anillo de acero inoxidable, que se utilizó para el ‘retractilado’ de las muestras de un solo grano. “Éste ha sido un paso importante para lograr este resultado”, dijo el Dr. John Durrell quien dirigió el experimento en Florida.
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Las líneas de flujo magnético en un superconductor se repelen entre sí fuertemente, haciendo difícil la contención de un enorme campo. Pero, mediante el diseño de la mayor parte de la microestructura, el campo es retenido en la muestra por el llamado ‘centro de fijación de flujos’, que está distribuido en todo el material. “El desarrollo de sitios de fijación eficaces en el superconductor GdBCO, ha sido clave para este éxito”, dijo el Dr. Yun-Hua Shi, quien ha sido responsable del desarrollo de la técnica de fabricación en el proceso de fusión, en la Universidad de Cambridge durante los últimos 20 años.
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El resultado, nunca antes logrado, es haber atrapado el mayor campo magnético en una masa, en un material independiente a cualquier temperatura. “Este trabajo podría anunciar la llegada de los superconductores para aplicaciones en el mundo real”, dijo el profesor Cardwell. “Con el fin de ver los superconductores a granel, aplicados para el uso diario, necesitamos granos más grandes de material superconductor con las propiedades necesarias que hagan posible su fabricación en procesos relativamente estándar”.
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Financiamiento y perspectivas
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“Este récord no se podría haber logrado sin el apoyo de nuestros colegas y socios académicos e industriales”, dijo el profesor Cardwell, quien es el próximo Jefe del Departamento de Ingeniería. “Fue un verdadero esfuerzo de equipo, y uno que esperamos llevar en estos materiales hacia un significativo paso, que nos acerque hacia las aplicaciones prácticas”.
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“Boeing continúa apoyando las aplicaciones prácticas, en esta investigación del material superconductor, y estamos emocionados de las posibilidades que se están abriendo en los recientes avances logrados por el equipo de Cambridge”, dijo Patrick Stokes, quien dirige el portafolio de financiamiento de Boeing en la investigación de la Universidad de Cambridge.
La investigación fue financiada por la empresa Boeing, y por el Consejo de Investigación en Ciencias Físicas e Ingeniería del Reino Unido (EPSRC). El Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, en el que se efectuaron las mediciones, está financiado por la Fundación Nacional de Ciencia, y el Estado de Florida.
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Actualmente vienen siendo desarrolladas una cantidad de aplicaciones específicas, por el equipo de la Universidad de Cambridge y sus colaboradores, y está previsto que las aplicaciones comerciales de los superconductores, para uso general, podrían verse en los próximos cinco años.
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Fuente: University of Cambridge