Novo recorde de campo magnético à vista (New Superconducting Magnet already at a record 27 Tesla and will reach 32 Tesla in 2016)

Esta bobina que usa o supercondutor YBCO ajudou o MagLab a estabelecer um novo recorde mundial de magnetos supercondutores: 27 teslas.

Construído com supercondutores novos e tradicionais, o ímã atingiu um campo de 27 teslas em 5 de junho, em um teste que superou as expectativas dos designers. O ímã é uma versão menor de um ainda mais poderoso com conclusão prevista para o próximo ano - um de 32 Tesla que será substancialmente mais forte do que qualquer ímã construído até à data.

        Tesla é uma medida da intensidade do campo magnético: um ímã típico usado em um aparelho de ressonância magnética é de 2 a 3 Tesla. O valor de 27 Tesla é 3,5 maior do que o ímã supercondutor mais forte em operação atualmente (em Lyon, França) e 1 Tesla mais forte do que um magneto supercondutor de teste construída no início deste ano na Coreia do Sul.

Fita de YBCO enrolada em discos (panquecas) para fazer as bobinas.

O ímã supercondutor mais forte do mundo tem atualmente uma força de campo de 23,5 Tesla. Quando este ambicioso projeto for concluído em 2016, o magneto supercondutor mais forte do planeta estará alojado no MagLab. Com 32 Tesla, dará um salto gigante em uma tecnologia que, desde 1960, tem visto pequenos passos de crescimento de 0,5 a 1 Tesla. Em junho deste ano, um teste com o ímã de 32 Tesla estabeleceu um novo recorde mundial de 27 Teslas para um ímã supercondutor.

        O instrumento inovador irá reduzir consideravelmente o custo de experimentos científicos e tornar a investigação de alto campo acessível a mais cientistas.

Devido em grande parte ao ambiente mais silencioso que um ímã supercondutor oferece, os 32 Tesla irá ajudar os cientistas a abrir novos caminhos na ressonância magnética nuclear, ressonância magnética eletrônica, sólidos moleculares, estudos de oscilação quântica de metais complexos, efeito Hall quântico etc.

       O YBCO é um supercondutor de alta temperatura (HTS) formado por óxido de cobre, ítrio e bário. HTS são supercondutores a temperaturas mais elevadas do que seus primos convencionais, o que significa uma grande vantagem. Essa propriedade também lhes permite permanecerem supercondutores a campos magnéticos muito mais elevados do que os supercondutores convencionais. O ímã testado apresenta uma mistura de fita de YBCO e fio de supercondutores convencionais.

       Huub Weijers, diretor do projeto, testou uma série de bobinas magnéticas ao longo dos anos e comentou: “Esta é a primeira vez com os protótipos que nós não tivemos algo que não estava certo. Toda vez havia um pedaço aqui ou ali, uma parte que não foi muito bem, que estava limitando-nos em geral. Desta vez, não houve tal irregularidade. Nós apenas atingimos o desempenho máximo do condutor”.

       O MagLab dispõe de vários instrumentos que são mais fortes do que 32 T, incluindo dois ímãs resistivos e o ímã híbrido de 45 T. Contudo, como supercondutor mais forte do mundo, o de 32 T será capaz de executar mais horas, mais barato de operar, e oferece vantagens importantes para alguns tipos de experimentos. Supercondutores criam campos mais estáveis, ‘mais silenciosos’ do que ímãs resistivos (que dependem de corrente convencional) que são importantes para experimentos em ressonância magnética nuclear, ressonância magnética eletrônica e outras áreas de pesquisa que requerem medidas mais sensíveis. A estimativa é que todo o sistema esteja pronto no primeiro semestre de 2016.

       Este será o primeiro ímã de alto campo à disposição dos pesquisadores que incorpora o YBCO, uma cerâmica supercondutora de alta temperatura crítica. Duas bobinas internas de YBCO, fabricadas no MagLab serão cercadas por um outsert comercial composto de três bobinas de nióbio-estanho e duas bobinas de nióbio-titânio.

       O novo ímã será mais atraente para os usuários cujos experimentos requerem menor ruído e tempos de execução mais longos do que os ímãs resistivos podem oferecer, enquanto a taxa relativamente rápida de 32 T/hora também permite muitas varreduras de campo por dia.

A equipe envolvida no projeto (da esquerda para a direita): Brent Jarvis, Huub Weijers (diretor de projeto), Denis Markiewicz, Tom Painter, Adam Voran, Steven Carter, Scott Gundloch e Bill Sheppard. Não retratado: Andy Gavrilin, Zach Johnson, Patrick Noyes e Youri Viouchkov.

Fonte1: http://nextbigfuture.com/2015/06/new-superconducting-magnet-already-at.html

Fonte2: https://nationalmaglab.org/news-events/news/maglab-claims-record-with-novel-superconducting-magnet

Fonte3: http://www.oxford-instruments.com/news/2015/june/national-maglab-achieves-record-high-field-of-27-t

Descoberta abre caminho para novos tipos de dispositivos eletrônicos supercondutores (Fabricating inexpensive, high-temp SQUIDs: Discovery paves way for new kinds of superconducting electronics)

Representação da forma do feixe de íons de hélio criando uma junção Josephson em escala atômica num cristal supercondutor de alta temperatura, o YBa₂Cu₃O_7-d. A inserção retrata a aparência do dispositivo em escala macroscópica (milímetros). Crédito: Meng Ma / UCSD 

Físicos da Universidade da Califórnia em San Diego (UCSD), desenvolveram uma nova maneira de controlar o transporte de correntes elétricas em supercondutores de alta temperatura. A descoberta abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos sofisticados, capazes de permitir que cientistas ou médicos meçam de forma não invasiva os minúsculos campos magnéticos do coração ou do cérebro, e melhorem as comunicações por satélite.

       “Acreditamos que esta nova abordagem vai ter um impacto significativo e de longo alcance em medicina, física, ciência de materiais e de satélites de comunicações”, disse Robert Dynes, professor de física na UCSD. “Isso vai permitir o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos eletrônicos supercondutores cobrindo um amplo espectro, variando de magnetômetros altamente sensíveis para medições biomagnéticas do corpo humano até matrizes em grande escala para comunicações de banda larga por satélite. Em ciência básica, espera-se que contribua para o entendimento dos mistérios de supercondutores não convencionais e poderá desempenhar um papel importante em novas tecnologias, como a ciência da informação quântica”.

       Os pesquisadores encontraram uma forma de controlar o transporte elétrico nestes materiais através da construção de um dispositivo dentro do material supercondutor chamado de ‘junção Josephson’, análogo em função do transistor em eletrônicos semicondutores. Ele é composto de dois eletrodos supercondutores separados por cerca de um nanômetro.

       Circuitos construídos a partir de junções Josephson, chamados de dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID), são usados ​​para detectar campos magnéticos extremamente pequenos, mais de 10 bilhões de vezes menor do que o da Terra. Uma grande desvantagem para esses dispositivos é a baixa temperatura necessária para a sua operação, normalmente apenas 4 graus acima do zero absoluto. Isto exige sistemas de refrigeração intrincadas e dispendiosos.

Pesquisadores da UCSD, da esquerda para a direita: Shane Cybart, Bob Dynes, Meng Ma e Ethan Cho. Crédito: Ethan Cho/UCSD

       Quase três décadas se passaram desde a descoberta do primeiro supercondutor de alta temperatura e o progresso na construção de dispositivos eletrônicos com esses materiais tem sido muito lento. Isso porque o controle do processo em escala inferior a 10 nanômetros é necessário para fazer junções Josephson de alta qualidade fora desses materiais.

       Os físicos da UCSD uniram-se a Carl Zeiss Microscopy em Peabody (Massachusetts), que dispõem de equipamentos capazes de gerar feixes altamente focados de íons de hélio, visando experimentar uma abordagem que acreditavam poder evitar problemas anteriores.

       “Usando o feixe de hélio finamente focado do Zeiss Orion's, nós irradiamos e, portanto, desordenamos uma região nanométrica do supercondutor para criar o que é chamado de ‘barreira de tunelamento quântico’ e fomos capazes de escrever circuitos Josephson diretamente em um filme fino do óxido supercondutor”, afirmou Shane Cybart, físico que desempenhou um papel fundamental nas descobertas. “Usando esse método de escrita direta eliminamos o tratamento litográfico e oferecemos a promessa de um caminho simples de circuitos quânticos que operam em temperaturas mais práticos”.

       “A chave para este método é que os supercondutores de alta temperatura são muito sensíveis aos defeitos pontuais provocados pelo feixe de íons na rede cristalina. O aumento dos níveis de irradiação tem o efeito de aumentar a resistividade e reduzir a temperatura de transição supercondutora”, disse Cybart. “Em níveis muito elevados de irradiação, o supercondutor se torna isolante. Isso nos permite usar o pequeno feixe de hélio para escrever estas junções diretamente no material”.

       Os físicos que entraram com um pedido de patente para licenciar sua descoberta, agora estão colaborando com pesquisadores médicos para aplicar o seu trabalho no desenvolvimento de dispositivos que podem medir de forma não invasiva os minúsculos campos magnéticos gerados dentro do cérebro, a fim de estudar distúrbios cerebrais, como o autismo e epilepsia em crianças.

       “No campo das comunicações, estamos desenvolvendo comunicações por satélite de taxa de transferência de dados de alta largura de banda,” disse Cybart. “Na ciência básica, estamos usando essa tecnologia para estudar materiais supercondutores cerâmicos visando ajudar a determinar a física que rege o seu funcionamento de modo a conduzir a melhores materiais que operam em temperaturas ainda mais altas”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-06-discovery-paves-kinds-superconducting-electronics.html

Supercondutores e turbinas eólicas: Uma brisa fresca em energias renováveis (Superconducting direct drive technology for next generation wind turbines: A fresh breeze in renewables)

A empresa Envision Energy, líder mundial no fornecimento de soluções inteligentes em energia, anunciou que pretende instalar um gerador supercondutor em uma de suas turbinas eólicas mais avançadas. O produto chamado gerador EcoSwing é projetado para uma turbina de acionamento direto de 3 MW e fornecerá energia suficiente para abastecer 1.000 famílias.

Anders Rebsdorf, chefe do Centro Global de Inovação da Envision, comentou: “Após anos de pesquisa, a supercondutividade finalmente amadureceu a um nível onde pode ser considerada para testes e demonstrações em uma turbina eólica de tamanho real. O gerador será um dos sistemas supercondutores mais ambiciosos em termos de densidade de torque, e estamos orgulhosos de liderar este importante projeto”.

É o primeiro gerador supercondutor projetado para uma turbina eólica e promete uma mudança de patamar no desenvolvimento do gerador. A principal vantagem do EcoSwing é uma economia de peso de mais de 40% em comparação com geradores convencionais. Outra vantagem é a drástica redução no uso de terras raras – um material escasso e de preços oscilantes.

       Anders Rebsdorf acrescentou sobre o impacto do mercado: “Os potenciais para um gerador leve e competitivo são verdadeiramente emocionantes. A tecnologia EcoSwing pode ser um avanço importante em nossa busca para reduzir o custo das energias renováveis”.

       A tecnologia EcoSwing aborda aspectos multidisciplinares de investigação e desenvolvimento e promove avanços em supercondutividade industrial, criogenia e conversão de energia. Para lidar com a implementação da tecnologia, o consórcio irá realizar estudos de risco e avaliar aspectos regulatórios. Após o teste minucioso em um laboratório certificado, o gerador está previsto para operar por mais de um ano em uma moderna turbina eólica de grande porte na Dinamarca.

Sobre a supercondutividade

Os supercondutores são capazes de conduzir eletricidade sem resistência. Eles são, portanto, altamente complementares às tecnologias de maior eficiência energética como um substituto para o cobre. Em comparação com o cobre, pode transportar 100 vezes a densidade de corrente, tornando os equipamentos leves e compactos. Em razão da enorme redução de volume, o uso de supercondutores torna esta tecnologia altamente competitiva para máquinas convencionais.

Fonte: http://www.yourrenewablenews.com/superconducting+direct+drive+technology+for+next+generation+wind+turbines%3A+a+fresh+breeze+in+renewables_116330.html

Reator que gera energia com a mesma reação que ocorre no Sol pode ficar pronto em dez anos

A Skunk Works, divisão de tecnologia experimental da empresa aeroespacial americana Lockheed Martin, tem trabalhado em um novo design de reator de fusão nuclear que pode, segundo seus criadores, revolucionar a geração de energia global em dez anos.

       O equipamento tem o tamanho de um motor de jato, e poderia ser utilizado em aviões, naves espaciais, navios e abastecer cidades inteiras, com as dimensões apropriadas.

       A busca por um reator de fusão nuclear, mesmo processo observado no interior de estrelas, como o Sol, tem mantido cientistas das maiores empresas do ramo ocupados há anos. O grande problema desse equipamento, que poderia gerar energia limpa e constante, é que os projetos atuais exigem muita energia para manter o núcleo estável, tornando-os ineficientes.

       O desenho mais popular atualmente se originou na União Soviética, e é conhecido como Tokamak. Uma instalação de testes baseada nesse modelo está sendo construída na França, e exemplifica os desafios de engenharia encontrados para implementar essa tecnologia – com instalações enormes e produtividade suficiente apenas para uma escala experimental.

       Segundo o chefe da divisão da Lockheed Martin responsável, o novo reator de fusão nuclear portátil utiliza um design tubular, protegido por campos magnéticos gerados por imãs supercondutores, que suportaria mais plasma em seu interior – uma das limitações centrais desse tipo de equipamento.

O design do reator de fusão nuclear da Lockheed Martin

Por causa dessa incapacidade de reter plasma, os reatores do tipo Tokamak exigem estruturas enormes, como é o caso do já citado Reator Experimental Termonuclear Internacional, que deve ser concluído em 2016. “Gostaríamos de ter um protótipo em cinco gerações. Se conseguirmos manter nosso plano de fazer uma geração de design-teste a cada ano, estamos a cinco anos [desse protótipo], e já mostramos que podemos fazer isso no laboratório”, diz o Dr. Thomas McGuire, chefe da divisão encarregada do projeto.

       Depois que esse protótipo comprovasse as conclusões de sua equipe, segundo McGuire, em mais cinco anos a humanidade teria seu primeiro reator de fusão nuclear comercialmente viável. Em outras palavras, teríamos nossos próprios Sóis portáteis, capazes de fornecer energia limpa para um futuro mais sustentável.

Fonte: http://info.abril.com.br/noticias/tecnologias-verdes/2015/06/reator-que-gera-energia-com-a-mesma-reacao-que-ocorre-no-sol-pode-ficar-pronto-em-dez-anos.shtml

D-Wave Systems atinge marca de processamento de 1000 bits quânticos

A D-Wave Systems anunciou nesta semana que ultrapassou a marca de processamento de 1000 qubits (bits quânticos) com um novo chip que tem o dobro do tamanho do último criado pela própria empresa. Com isso, o processador considera 2¹⁰⁰⁰ possibilidades simultaneamente, o que minimiza as 2⁵¹² possibilidades que estavam disponíveis com o D-Wave Two. Para efeito de comparação, o número de possibilidades que o chip pode considerar é maior do que o número de partículas de todo o universo visível.

       Em termos práticos, a conquista tecnológica da D-Wave Systems permitirá que um computador quântico possa resolver problemas computacionais mais complexos do que qualquer outro. Isso porque o qubit, que é uma unidade de informação com propriedades quânticas, trata os dados de maneira diferente do bit comum. Em vez de considerar as informações de forma isolada, como fazem os computadores tradicionais, ele as integra para criar novas dimensões para o processamento.

       “Quebrar a barreira dos 1000 qubits marca o resultado de anos de pesquisa e desenvolvimento de nossos cientistas, engenheiros e fabricantes”, afirmou Vern Brownell, CEO da D-Wave. “Esse é um passo essencial para trazer a promessa da computação quântica para lidar com problemas mais desafiadores que as organizações possam enfrentar, sejam eles técnicos, comerciais, científicos ou de segurança nacional”.

       Os novos processadores, que compreendem mais de 128.000 junções Josephson em 6 camadas de metal num processo de 0,25 µm, são os supercondutores de circuitos integrados mais complexos já produzidos com sucesso.  Para que funcionem, esses chips precisam estar 40% mais refrigerados do que os outros processadores quânticos – que já requeriam estar próximos do zero absoluto. Com esse novo processo de fabricação, a D-Wave conseguiu também reduzir o barulho dos componentes em 50%.

       “Para a indústria de computação de alto desempenho, a promessa da computação quântica é muito emocionante. Ela oferece o potencial para resolver problemas importantes que não podem ser resolvidos hoje ou tomariam uma quantidade razoável de tempo para isso”, disse Earl Joseph, vice-presidente da IDC ao HPC.

       Baseada em Palo Alto, na Califórnia, a D-Wave é a maior fabricante de componentes de computação quântica do momento e presta serviços para a NASA e Google.

Fonte: http://info.abril.com.br/noticias/ti/2015/06/d-wave-atinge-marca-de-processamento-de-1-000-bits-quanticos.shtml

Skate voador e trens super-rápidos - Por que precisamos de supercondutores? (Hoverboards and super-fast trains – why we need superconductors)

Se os físicos forem capazes de atingir a meta da supercondutividade a temperatura ambiente em um material fácil de moldar em fios, novas e importantes tecnologias surgiriam logo em seguida.

        Os materiais podem ser divididos em duas categorias com base na sua capacidade de conduzir eletricidade. Metais, como cobre e prata, permitem que os elétrons se movam livremente transportando carga elétrica. Isolantes, tais como a borracha ou madeira, mantém seus elétrons com força e não permitem que uma corrente elétrica flua.

Novas técnicas de laboratório para resfriar materiais a temperaturas próximas do zero absoluto (-273 °C) foram desenvolvidas por físicos no começo do século 20, o que deu início a uma investigação sobre como a capacidade de conduzir eletricidade muda em condições tão extremas.

        Em alguns elementos simples, como mercúrio e chumbo, percebeu-se algo notável - abaixo de uma determinada temperatura estes materiais podem conduzir eletricidade sem resistência.

        Nas décadas posteriores a esta descoberta os cientistas encontraram comportamento idêntico em milhares de compostos, de cerâmica à nanotubos de carbono.

        Vamos pensar neste estado da matéria não como um metal ou um isolador, mas uma terceira categoria exótica, um supercondutor.

        Um supercondutor conduz eletricidade perfeitamente, isto significa que uma corrente elétrica em um fio supercondutor continuaria a fluir em círculos por bilhões de anos, nunca se degradando ou se dissipando.

Elétrons na pista rápida

        Em nível microscópico os elétrons em um supercondutor se comportam de forma muito diferente daqueles em um metal normal.

        Pares de elétrons supercondutores se unem, o que lhes permite viajar com facilidade a partir de uma extremidade à outra de um material.

        O efeito é um pouco como uma faixa exclusiva em uma rodovia movimentada. Elétrons individuais ficam presos no trânsito, esbarram em outros elétrons e obstáculos enquanto fazem seu caminho. Elétrons emparelhados, por outro lado, tem prioridade para viajar na pista rápida através de um material, capaz de evitar o congestionamento.

        Supercondutores já possuem aplicações fora do laboratório em tecnologias como a Ressonância Magnética (MRI). Aparelhos de ressonância magnética utilizam supercondutores para gerar um grande campo magnético que dá aos médicos uma forma não invasiva para obter imagem do interior do corpo de um paciente.

Aparelho RMI

Ímãs supercondutores também possibilitaram a recente detecção do bóson de Higgs no CERN, dobrando e focando feixes de partículas em colisão.

Uma propriedade interessante e potencialmente útil dos supercondutores surge quando eles são colocados perto de um ímã forte.

O campo magnético faz com que as correntes elétricas fluam espontaneamente sobre a superfície de um supercondutor, que dão origem à sua própria, contrariando o campo magnético. O efeito é que o supercondutor levita acima do ímã, suspenso no ar por uma força magnética invisível.

        O que impede uma utilização mais generalizada destes materiais é o fato de que os supercondutores só operam em temperaturas muito baixas.

        Nos elementos simples, por exemplo, a supercondutividade desaparece em apenas 10 K, ou -263 °C. Em compostos mais complexos, como o óxido de ítrio bário cobre (YBa₂Cu₃O₇), a supercondutividade pode persistir a temperaturas mais elevadas, até 100 K (-173 °C).

        Embora isso seja uma melhoria em relação aos elementos simples, ainda é muito mais frio do que a noite mais fria do inverno na Antártida.

        Cientistas sonham em encontrar um material que as propriedades supercondutoras possam ser usadas em temperatura ambiente, mas é uma tarefa desafiadora.

        O aumento da temperatura tende a destruir a cola que une os elétrons em pares supercondutores, o que, em seguida, leva o material de volta ao seu estado metálico chato. Um dos grandes desafios é o fato de que nós ainda não entendemos muito sobre esta cola, exceto em alguns casos limitados.

De superátomo para o supercondutor

Uma nova pesquisa da Universidade do Sul da Califórnia deu um novo passo no sentido de melhorar a nossa compreensão de como a supercondutividade surge.

        Em vez de estudar a supercondutividade em amostras volumétricas grandes, como fios, Vitaly Kresin e seus colaboradores conseguiram isolar e examinar pequenos aglomerados de algumas dezenas de átomos de alumínio de cada vez.

Estes pequenos aglomerados de átomos podem atuar como um “superátomo”, compartilhando elétrons de uma maneira que imita um único átomo gigante.

        O que é surpreendente é que as medições destes clusters revelam o que pode ser a assinatura do emparelhamento do elétron persistindo por todo o caminho até 100 K (-173 °C).

        Esta temperatura ainda é muito baixa, mas é 100 vezes maior do que a temperatura supercondutora de um pedaço de fio de alumínio.

        Por que um pequeno punhado de átomos superconduz a uma temperatura muito mais elevada do que os milhões de átomos que formam um fio?

        Os físicos têm algumas ideias, mas o efeito é muito pouco explorado, e poderia revelar-se uma forma interessante de evolução na busca da supercondutividade em altas temperaturas.

Trem MagLev

        Com a supercondutividade em temperatura ambiente, os dispositivos que usam eletricidade se tornariam consideravelmente mais eficientes e consumiriam menos energia. O transporte de eletricidade por longas distâncias se tornaria muito mais fácil, o que é particularmente útil para aplicações de energias renováveis ​​- e alguns propuseram cabos supercondutores gigantes que ligariam a Europa com fazendas de energia solar no norte da África.

        O fato de que os supercondutores levitam acima de um ímã forte também cria possibilidades eficientes, trens de ultra-alta velocidade que flutuam acima de uma faixa magnética, muito parecido com prancha de Marty McFly em “De Volta para o Futuro”.

        Engenheiros japoneses experimentaram a substituição das rodas de um trem com grandes supercondutores que seguram as carruagens alguns centímetros acima da pista.

        A ideia funciona, em princípio, mas sofre do fato de que os trens precisam levar tanques dispendiosos de hélio líquido com eles, a fim de manter frios os supercondutores.

        Muitas tecnologias de supercondutores irão provavelmente permanecer na prancheta, ou muito caras para implementar, a menos que um supercondutor a temperatura ambiente seja descoberto.

        É apenas possível que os avanços feitos pelo grupo de Kresin pode marcar esta jornada.

Fonte: http://mybroadband.co.za/news/general/121118-hoverboards-and-super-fast-trains-why-we-need-superconductors.html