O
mercado global de supercondutores deverá crescer a uma taxa anual média de 2,77%
em relação ao período 2013-2018. Um dos principais fatores que contribuem para
o crescimento desse mercado é o aumento da demanda por infraestrutura da rede
de energia avançada. O mercado também tem assistido a crescente demanda por
equipamentos de ressonância magnética. No entanto, o alto custo dos sistemas de
resfriamento dos supercondutores pode representar um desafio para o crescimento
maior deste setor.
A crescente demanda por equipamentos de
ressonância magnética é um dos principais fatores emergentes no mercado global supercondutor.
O aumento do número de pacientes e da incidência de doenças neurológicas,
oncológicas e cardíacas em todo o mundo resultaram na adoção mais ampla de equipamentos
de ressonância magnética. Os profissionais médicos especializados
constantemente atualizam seus equipamentos para fornecer tratamento e diagnóstico
eficaz. Como equipamentos de ressonância magnética produzem melhor qualidade de
imagem, fundamental no diagnóstico de lesões cerebrais e acidente vascular
cerebral, tem havido um aumento da adoção de tais equipamentos entre os
profissionais médicos. A necessidade de um diagnóstico eficaz está
impulsionando a adoção de equipamentos em grandes hospitais, instituições
governamentais e grandes centros de diagnóstico. A taxa de adoção de
sistemas de ressonância magnética supercondutores deverá aumentar devido à sua
alta qualidade de imagem e relação custo-benefício.
A crescente demanda por energia elétrica
e alta perda de transmissão na rede também tem impulsionado a adoção
de supercondutores. O maior desafio
neste mercado é o elevado custo dos sistemas de refrigeração. O desenvolvimento
e implantação de supercondutores requerem sistemas de refrigeração com
refrigeradores criogênicos, e como estes são muito caros, eleva-se o custo
total de produção, causando uma redução no uso de supercondutores.
O desafio agora é desenvolver um sistema
de refrigeração economicamente viável ou sintetizar um material supercondutor
que não necessite de resfriamento.
Supercondutores tiveram considerável
exposição nos meios de comunicação não científicos devido a uma série de
descobertas. No início de novembro, pesquisadores da Universidade de Rutgers usaram
um supercomputador para desenvolver métodos que podem ser utilizados para
identificar quais materiais têm propriedades supercondutoras. Usando milhões de
horas de processamento do Titan de 27 petaflop para desenvolver algoritmos de
estrutura eletrônica, os pesquisadores foram capazes de modelar a dinâmica de
spin em materiais à base de ferro.
O estudo publicado na revista Nature Physics, oferece novas formas de
estudar a dinâmica de spin em materiais não supercondutores, potenciais materiais
supercondutores e os materiais que apresentam barreiras para o estudo
convencional, tais como aqueles com propriedades radioativas.
O princípio básico da supercondutividade
é relativamente simples. Quando arrefecido até uma temperatura suficientemente
fria, alguns materiais permitem o fluxo de corrente elétrica sem qualquer resistência,
abrindo um amplo espectro de aplicações potenciais, tais como os magnetos de
alto desempenho, cabos de alimentação, limitadores de corrente, equipamento de
ressonância magnética nuclear etc. Supercondutores são frequentemente
utilizados por empresas de energia para melhorar o desempenho da rede. Uma
empresa líder que usa a tecnologia de supercondutores é a American Superconductor, fornecedora de equipamentos elétricos em grande
escala para a indústria de energia eólica. O valor de mercado da companhia foi
de cerca de US $ 110 milhões, na sequência de uma atualização de resultados
trimestrais no início deste mês.
Embora a mecânica quântica por trás da supercondutividade
de alta temperatura ainda ser pouco compreendida, na última década, a ciência
tem feito progressos consideráveis com materiais à base de ferro. No início
deste ano, pesquisadores do Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory expandiram a fronteira do
conhecimento da supercondutividade e magnetismo em supercondutores à base de
ferro.
Pensava-se que magnetismo e
supercondutividade não poderiam coexistir uma vez que supercondutores
convencionais repelem campos magnéticos. Evidência experimental utilizando uma
combinação da scanning transmission
electron microscopy com a electron
energy loss spectroscopy para caracterizar as propriedades magnéticas dos
átomos individuais, indica que rápidas flutuações de momentos magnéticos locais
estão correlacionadas com uma elevada temperatura crítica, e pode influenciar o
desempenho de supercondutores à base de ferro.
Novas turbinas supercondutoras
desenvolvidas por pesquisadores australianos pode resultar em uma significativa
melhora sobre turbinas atuais, e permitir o desenvolvimento de turbinas eólicas
no mar ao longo da costa da Austrália no prazo de 5 anos.
Um supercondutor é um material que conduz eletricidade sem qualquer resistência. Isso significa que nenhum
calor, som ou qualquer outra forma de energia pode ser liberada do material
quando se atinge uma ‘temperatura crítica’, ou a temperatura que o material se
torna supercondutor.
As novas turbinas, desenvolvidas por
uma equipe do Institute for Superconductingand Electronic Materials da Universidade de Wollongong, vai pesar 40% menos
do que as turbinas atuais apenas por tirar a caixa de velocidades presente nos
modelos atuais. A remoção da complexa caixa de engrenagem, pesada e dispendiosa,
também significa a remoção de uma grande quantidade de manutenção.
“Em nosso projeto não há nenhuma caixa de velocidades, que
imediatamente reduz o tamanho e o peso em 40%”, afirma Shahriar Hossain, pesquisador e cientista de materiais. “Estamos desenvolvendo uma bobina
supercondutora de diboreto de magnésio (MgB2) para substituir a
caixa de engrenagens. Isso irá capturar a energia do vento e convertê-la em
eletricidade, sem qualquer perda de potência, e irá reduzir os custos de
fabricação e manutenção em dois terços”.
Outro grande benefício é o custo de
construção da turbina que será drasticamente reduzido. Atualmente, ela custa
cerca de US $ 15 milhões por turbina, enquanto as novas que utilizam supercondutores
tem o custo estimado em cerca de US $ 3-5 milhões.
“A Austrália precisa desesperadamente de fontes de energia
sustentáveis. O vento é barato, limpo e podemos obtê-lo em dias chuvosos e
ensolarados”, disse ele. “E considerando que a Austrália tem mais de 35.000 km de
litoral, há amplo espaço para parques eólicos offshore. Com o apoio da
indústria, poderíamos instalar turbinas eólicas supercondutoras offshore ao longo
da costa da Austrália, em cinco anos, sem problema”.
Uma equipe internacional de
pesquisadores do National AcceleratorLaboratory, da Universidade de Stanford e do Instituto Paul Scherrer
(Villigen, Suíça), observaram um novo tipo de comportamento em supercondutores
de alta temperatura à base de cobre. Explicar o novo fenômeno - uma nova forma do
movimento coletivo das cargas elétricas no material - representa um grande
desafio para os pesquisadores. Explicar o fenômeno satisfatoriamente pode ser
um passo importante para a compreensão da supercondutividade de alta
temperatura. Os experimentos foram conduzidos no Scherrer Institute Paul Swiss Light Source. Os resultados da pesquisa
foram publicados na revista Nature Physics.
“Materiais supercondutores à temperatura
ambiente poderiam ajudar a salvar uma grande quantidade de energia”,
explica Thomas Devereaux, chefe da equipe de pesquisa SLAC. “Mas, a fim de
desenvolver tais materiais, temos que entender o que se passa dentro deles
quando eles se tornam supercondutoras. Nossos resultados das últimas pesquisas
fornecem uma peça chave neste quebra-cabeça de longa data.”
Óxido de cobre - um material
cerâmico - normalmente não conduz eletricidade. No entanto, pode tornar-se supercondutor
se uma pequena fração dos átomos do material é substituído com átomos de certos
outros elementos, aumentando ou diminuindo o número de elétrons no material -
uma técnica chamada de doping (dopagem).
Além disso, o material deve ainda ser fortemente esfriado. A quantidade de
resfriamento depende do tipo de átomos substituídos: átomos que fornecem
elétrons adicionais exigem esfriar o material a 30 K, ou seja, trinta graus
acima do zero absoluto. Já átomos que reduzem o número de elétrons, é
suficiente arrefecer a 120 Kelvin. Um dos objetivos da pesquisa era descobrir a
razão para este comportamento diferente sob efeito da dopagem.
Mostrando o movimento dos
portadores de carga
A fim de determinar como a dopagem
altera as propriedades do material, os pesquisadores utilizaram uma técnica
experimental moderna baseada na luz de raios-X conhecida como Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS).
Os experimentos foram realizados no instrumento RIXS do Scherrer Institute PaulSwiss
Light Source (SLS). “Esta instalação atualmente possui a maior resolução do mundo
e pode revelar como portadores individuais de carga - os elétrons – movem-se
sob os estímulos dos raios-X incidentes. Os resultados de tais estímulos são
excitações que podem ser imaginadas como ondas de propagação através do
material se uma de suas propriedades muda em algum lugar”, explica
Thorsten Schmitt, o cientista responsável por esta facilidade noPaulScherrer Institute. Estas
propriedades modificadas podem ser a distribuição das cargas elétrica ou a
ordem magnética no material. A ordem magnética pode emergir quando elétrons
dentro de alguns materiais se comportam como pequenos ímãs. Se estes ímãs estão
dispostos num padrão regular, este é referido como uma ordem magnética. Ondas
podem ser induzidas por esta ordem se ímãs individuais são movidos fora de
posição e este deslocamento viaja de ímã para ímã. No entanto, a excitação não
necessariamente se espalha no mesmo sentido em que os ímãs individuais foram
movidos - bem como uma onda de água se desloca através da superfície da água,
embora as moléculas de água individuais só se movem para cima e para baixo.
Para ambos, a onda magnética e a onda de água, a direção de propagação da onda
como um todo é importante, isto é, a direção em que a onda transporta energia,
a qual, no caso da onda da água, é usada por um surfista, por exemplo.
Esta animação
mostra ondas de spin se propagando através de um material antiferromagnético,
em que átomos vizinhos (bolas) têm spins opostos (setas). Quando um fóton, ou
partículas de luz (bola de ouro), do comprimento de onda certo atinge um átomo
e perturba a sua rotação, o distúrbio se espalha como ondulações na água. Estas
ondas de spin podem ser detectadas com a técnica RIXS, que analisa a energia e a
quantidade de movimento dos fótons emitidos pelo material perturbado.
Experimentos realizados por uma equipe internacional de pesquisadores no PSI
encontraram comportamentos incomuns de ondas de spin em um material supercondutor
de óxido de cobre. O próximo passo é ver se e como esta nova excitação está
relacionada com a capacidade do material conduzir eletricidade com 100% de
eficiência. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory, Martin Böhm, Alain
Filhol e Mathieu Ippersiel / Neutrons4Science
A mais alta precisão no
instrumento PSI
“Em um
experimento RIXS, você ilumina a amostra com raios-X, o que estimula uma onda
magnética na amostra”, explica Schmitt. “Os raios-X transferem parte da sua energia para a onda
magnética no processo. Comparando a energia da luz de raios-X que entra na
amostra com a luz que sai, é possível recolher informações sobre as
propriedades das ondas magnéticas estimuladas - especialmente sua energia”.
Schmitt explica por que as medições foram realizadas no PSI: “Em nenhum outro
lugar no mundo pode a energia de tais excitações ser medida com maior precisão do
que em nosso instrumento RIXS no PSI”.
Os experimentos revelaram
duas coisas intrigantes. “Por um lado, a energia magnética transportada pela excitação
aumentou por um fator inesperadamente grande nos materiais com excesso de elétrons.
Por outro, a formação de novas excitações coletivas - uma forma particular do
movimento coletivo de cargas elétricas - foi detectada nestes mesmos materiais”,
relata Wei Sheng-Lee, o primeiro autor da publicação na revista Nature Physics. “No entanto, é um mistério a respeito do porque
não observamos esse fenômeno em materiais com deficiência de elétrons, afinal,
seria de esperar que eles se comportassem de forma semelhante àqueles com um
excedente de elétrons.”
A longa e árdua luta para a
compreensão
A nova descoberta é um dos passos na longa e árdua luta
para a compreensão da supercondutividade de alta temperatura. Desde 1950, os
cientistas sabem por que certos metais e ligas simples tornam-se
supercondutores quando são resfriados a alguns graus acima do zero absoluto.
Seus elétrons se unem para formar pares, que são feitos em conjunto pelas
oscilações atômicas que atuam como uma espécie de cola virtual. Acima de certa
temperatura, a cola já não mantém os pares porque os átomos se movimentam cada
vez mais forte e separa os elétrons, fazendo desaparecer a supercondutividade.
Desde 1986, cientistas
descobriram uma série de novos materiais que se tornam supercondutores a
temperaturas mais elevadas, entre 30 e 120 K - os chamados supercondutores de
alta temperatura. A esperança agora é ser capaz de produzir supercondutores à
temperatura ambiente ou a temperaturas ainda mais altas se melhorarmos nossa
compreensão de como esses materiais funcionam.
Como os elétrons formam pares
Permanece obscuro como exatamente ocorre o
emparelhamento de elétrons. Até recentemente, a suposição era de que em
temperaturas mais altas, os pares de elétrons são mantidos juntos por fortes
excitações magnéticas, que são geradas pelas interações entre os spins de
elétrons. As simulações computacionais mais recentes realizadas por
pesquisadores da SLAC, revelam que as interações
magnéticas de alta energia não podem ser as únicas responsáveis pela formação
de pares de elétrons.
De acordo com os últimos
resultados, salienta Lee, também não é claro se a excitação coletiva das cargas
elétricas está ligada ao emparelhamento de elétrons nos supercondutores de alta
temperatura. Depois de tudo, não se sabe se o novo efeito é favorável para a
supercondutividade ou se é um obstáculo.
“Os físicos teóricos agora
tem de considerar os novos resultados em suas explicações sobre a origem da supercondutividade
de alta temperatura”, diz Schmitt.
Nessa ilustração,
uma única camada do supercondutor seleneto de ferro FeSe (bolas e varetas) foi
colocado sobre outro material conhecido como STO (SrTiO3). O STO é
mostrado como pirâmides azuis, que representa o arranjo dos átomos. Um estudo
da SLAC descobriu que, quando as vibrações naturais (brilho verde) do STO movem-se
para o filme de seleneto de ferro, os elétrons no filme (esferas brancas) podem
emparelhar-se e conduzir eletricidade com 100% de eficiência em temperaturas
muito mais altas do que antes. Os resultados sugerem uma maneira de obter supercondutores
que funcionem a temperaturas mais elevadas. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory
Um estudo do Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory sugere pela primeira vez como
os cientistas podem projetar supercondutores que funcionam em altas
temperaturas. Em seu artigo, a equipe liderada por pesquisadores do SLAC e da Stanford University
explica porque uma fina camada de seleneto de ferro (FeSe) superconduz em
temperaturas muito mais altas quando colocada em cima de outro material, o titanato de estrôncio STO (SrTiO3).
A descoberta, publicada na revista Nature, abre um novo
capítulo em 30 anos de busca para desenvolver supercondutores que operem à
temperatura ambiente, o que pode revolucionar a sociedade, tornando muito mais
eficiente tudo que funciona com eletricidade. Apesar dos supercondutores de
alta temperatura de hoje operarem em temperaturas muito mais elevadas do que os
supercondutores convencionais, eles ainda funcionam somente quando refrigerados
a –135 °C.
No novo estudo, os cientistas concluíram que vibrações naturais
de trilhões de vezes por segundo no STO viajam para dentro do filme de FeSe em pacotes distintos, como uma saraivada de gotas de água sacudida por
um cachorro molhado. Estas vibrações doam a energia que os elétrons precisam para
emparelhar-se e o material superconduz a temperaturas mais elevadas do que
seria possível isolado.
“Nossas
simulações indicam que esta abordagem - usando vibrações naturais em um
material para aumentar a supercondutividade em outro - poderia ser usada para
elevar a temperatura de funcionamento dos supercondutores à base de ferro em 50%”,
disse Zhi-Xun Shen, professor da SLAC e da Universidade de Stanford e principal autor
do estudo. Enquanto esse ganho ainda se distancia da temperatura
ambiente, acrescenta Shen, “Nós agora temos o primeiro exemplo de um mecanismo que
poderia ser usado para projetar supercondutores de alta temperatura com
controle de átomo por átomo e torná-los melhor.”
Essa imagem mostra um
aspecto importante: colocar FeSe em cima do STO aumenta sua supercondutividade apenas
se for aplicada uma única camada (esquerda). Quando mais de uma camada é sobreposta,
as vibrações naturais que vêm acima da camada de STO não fornecem aos elétrons a
energia que precisam para emparelhar-se e superconduzir (direita). (Fonte: SLAC)
‘Espionando’
elétrons
O estudo investigou uma feliz combinação de materiais
desenvolvida há dois anos por cientistas na China. Eles descobriram que, quando
uma única camada de FeSe é depositada sobre o STO, a sua temperatura crítica
salta de 8 para aproximadamente 77 K (–196 °C). Embora isso tenha sido um salto
enorme e bem-vindo, seria difícil construir sobre esse avanço sem entender o
que, exatamente, estava acontecendo. No novo estudo, os pesquisadores construíram
um sistema para o crescimento de filmes de FeSe de uma única camada em um
substrato de STO.
A equipe
examinou o material com uma técnica extremamente sensível chamada ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy),
a qual mede as energias e momentos de elétrons ejetados a partir de amostras
atingidas com a luz de raios-X. Isto diz aos cientistas como os elétrons dentro
da amostra estão se comportando. Os pesquisadores também contaram com a ajuda
de teóricos que fizeram simulações para ajudar a explicar o que estavam observando.
Uma
nova direção promissora
“Essa é uma experiência muito impressionante, que teria sido muito
difícil ou impossível de fazer em qualquer outro lugar”,
disse Andrew Millis, físico teórico da Columbia University especialista em
matéria condensada, mas que não esteve envolvido no estudo. “Isso está
claramente nos dizendo algo importante sobre o porquê de colocar uma camada
fina de SeFe neste substrato, que todos pensavam que era inerte e chato, e muda
as coisas dramaticamente. Abre muitas perguntas interessantes que certamente
estimulará uma série de investigações.”
Os
cientistas ainda não sabem o que mantém os pares de elétrons em conjunto para
que eles possam transportar corrente facilmente em supercondutores de alta
temperatura. Sem qualquer forma de inventar novos supercondutores de alta
temperatura ou melhorar os antigos, o progresso tem sido lento. Os novos
resultados “apontam
para uma nova direção que as pessoas não tinham considerado antes”,
disse Moore. “Eles
têm o potencial para quebrar recordes em supercondutividade de alta temperatura
e dar-nos uma nova compreensão das coisas que estivemos lutando por anos”.
Ele
acrescentou que o SLAC está desenvolvendo uma nova linha de raios-X com um
sistema ARPES mais avançado para criar e estudar esses e outros materiais
exóticos. “Esse
documento prevê um novo caminho para a engenharia da supercondutividade nestes
materiais”, Moore disse, “e nós estamos construindo as ferramentas para isso”.
As investigações
fundamentais do KIT em materiais e componentes supercondutores bem como seus
estudos de viabilidade contribuíram para o sucesso do AmpaCity. Crédito: KIT
180 dias ou 4.300
horas - neste período, o cabo supercondutor AmpaCity em Essen, Alemanha, vem conduzindo
energia até agora. Em 27 de outubro, os parceiros do projeto, inclusive do
Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), estão fazendo um balanço positivo.
O supercondutor transporta cinco vezes mais eletricidade do que os cabos de
cobre convencionais, com quase nenhuma perda. Desde a sua inauguração em 30 de
abril deste ano, o cabo de um quilômetro de comprimento já distribuiu cerca de
20 milhões de quilowatts-hora, o que corresponde ao consumo de cerca de 10 mil domicílios
em Essen.
“O projeto AmpaCity mostra que
é possível transferir a investigação fundamental para aplicações”, diz Mathias Noe, chefe do Instituto de Física Técnica do
KIT e parceiro do projeto de AmpaCity. “A pesquisa contribui para resolver os desafios da sociedade,
como a transformação do sistema de energia na Alemanha. Para este fim, a
pesquisa fundamental orientada à aplicação financiada por fundos federais
ocorre em estreita cooperação com o desenvolvimento industrial inovador.”
Após
180 dias de operação, os parceiros do projeto deram um primeiro parecer
positivo. “Até
agora, a operação ocorreu sem nenhum problema. Temos obtido resultados técnicos
valiosos que nos ajudaram a otimizar ainda mais o sistema supercondutor”,
disse Dr. Joachim Schneider, Diretor Técnico da RWE Deutschland. Os parceiros
do projeto modificaram o esquema de monitoramento do sistema para uma melhor
integração do supercondutor com o sistema de proteção da rede elétrica de Essen.
Além disso, o ciclo de resfriamento do cabo foi adaptado para as necessidades
especiais de AmpaCity.
O emblemático
projeto AmpaCity que ganhou reconhecimento em todo o mundo é financiado por
verbas do Ministério Federal da Economia e Energia (BMWi). “A diversificação da energia necessita de
inovações corajosas para um projeto eficiente e seguro do sistema de energia de
amanhã. É por isso que nós deliberadamente selecionamos este excelente projeto
para financiamento no âmbito do nosso programa de pesquisa de energia”,
disse Uwe Beckmeyer, Subsecretário de Estado com o Ministro Federal da Economia
e Energia, durante a sua visita em Essen. O BMWi financiou o projeto com 5,9 milhões
de euros. Um investimento de 13,5 milhões de euros foi feito pelos parceiros do
projeto. Estes são RWE com o operador
da rede, a fabricante de cabos Nexans,
e o Karlsruhe Institute of Technology (KIT), que cientificamente contribui com os testes de campo.
Antes
do projeto AmpaCity, o KIT coordenou um estudo detalhado relativo à viabilidade
técnica e eficiência econômica do uso de supercondutores em nível de tensão média
intra-urbana. Cabos supercondutores são a opção mais razoável para reduzir os cabos
de alta tensão nas redes urbanas e simplificar a estrutura das redes. Cabos de
cobre de média tensão podem transmitir altas potências em cidades com custos
comparativamente baixos, mas as perdas ôhmicas são elevadas. O estudo
preliminar destaca as vantagens associadas com o uso de supercondutores de 10.000
volts na grade de distribuição intra-urbana e na desmontagem de instalações de
alta tensão. No médio prazo, isso resultaria em uma eficiência melhorada, uma
grade mais enxuta e redução dos custos de operação e manutenção com um consumo
menor de áreas na cidade. Em Essen, o cabo supercondutor de 10.000 volts
substitui uma linha convencional de 110.000 volts.
