O que é a supercondutividade e quando teremos trens levitando e energia elétrica ilimitada? (What is superconductivity, and when will we all get maglev trains and unlimited electrical power?)

A supercondutividade é um desses conceitos - como o spin do elétron ou a dilatação do tempo - que parece um tanto esotérico, mas que, se dominado por meio da tecnologia, pode revolucionar o mundo. É um fenômeno utilizado em várias aplicações, mas a capacidade de criá-lo em ambientes menos hospitaleiros poderia ser a chave para trazer muitos dos sonhos de ficção para a realidade.

       Simplificando, a supercondutividade é a propriedade de resistência nula ao movimento dos elétrons. Isto significa que se nós bombearmos um pouco de eletricidade em um loop supercondutor fechado, esse ciclo manteria sua carga eternamente. Os elétrons nunca perderiam sua energia por resistência, interferência magnética ou calor.

       Contudo, há um grande problema: todos os supercondutores conhecidos atualmente tem que ser ativamente mantidos nesse estado, ou seja, devemos mantê-los abaixo de uma determinada temperatura, e muitas vezes complementar isso aplicando um campo magnético. Os limites de temperatura são incrivelmente baixos, e, portanto, incrivelmente caros de manter. O alumínio, por exemplo, tem um limite de 1,2 K, ou -271,95 °C.

Uma amostra do material supercondutor: óxido de cobre, bismuto, cálcio e estrôncio (BSCCO-2223 - Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x)

A física envolvida ou é muito simples ou bastante complexa, dependendo do material. Em metais puros ou ligas de metais simples, a supercondutividade acontece, basicamente, quando os átomos do material são resfriados ao ponto em que os elétrons não são espalhados à medida que se movem através do metal. Materiais mais complexos, alguns dos quais podem atingir a supercondutividade acima de temperaturas criogênicas, tem a ver com interações transientes entre pares de elétrons. Isto significa que o loop infinito só pode existir se nós gastarmos quantidade significativa de energia para manter o loop no estado supercondutor.

       As aplicações atuais dos supercondutores são todas limitadas por seus requisitos de temperatura. Máquinas de ressonância magnética são incrivelmente caras, em grande parte porque exigem substâncias exóticas como o hélio líquido para resfriar as bobinas ao ponto em que elas devem conduzir eletricidade suficiente para criar fortes campos magnéticos necessários para reorientar as moléculas do corpo humano. Grande parte da despesa do Large Hadron Collider vem da mesma fonte. Até a investigação sobre o uso da energia da fusão nuclear está sendo retardada pela despesa e dificuldade de criar enormes plataformas magnéticas para o confinamento do plasma.

Primeiro cabo supercondutor do mundo.

É por isso que o Santo Graal não é a supercondutividade, mas a supercondutividade de alta temperatura ou à temperatura ambiente. O limiar de “alta temperatura” é tecnicamente em torno de 30K para supercondutores convencionais. Se pudéssemos arrefecer um material supercondutor a 29K com facilidade, então 29K seria uma temperatura elevada para os nossos propósitos.

       Com material supercondutor acessível e prático o suficiente, podemos enviar nossos elétrons através do Atlântico. Poderíamos transformar linhas de trânsito municipais em trens-bala de levitação magnética. Hospitais poderiam ter mais aparelhos de ressonância magnética. Em geral, poderia permitir a aplicação em grande escala de tecnologias anteriormente possível apenas em pequena escala, ou em laboratórios especiais bem financiados.

Trens maglev seriam a escolha lógica em quase todos os casos, se não fossem proibitivamente tão caros.

Atualmente não estamos nem perto desses limites. Os melhores supercondutores já criados, os cupratos, demandam refrigeração a -140 °C, e são difíceis e caros de produzir. Isso não quer dizer que não tenha havido sucesso. Considerando a eficiência elétrica simples, que representa uma perda de cerca de 6% na transmissão de energia, a cidade alemã de Essen recentemente instalou um cabo supercondutor de quilômetros de extensão para a transferência de energia da rede. Este cabo utiliza nitrogênio líquido para atingir uma temperatura de funcionamento de 60K, ou -206 °C. O uso de nitrogênio líquido para resfriamento faz com que seja pelo menos um pouco acessível, mas precisamos melhorar muito para começar a pensar em substituir a infraestrutura elétrica de todo o mundo.

Um diagrama do funcionamento interno do cabo supercondutor em Essen, Alemanha.

  

       A supercondutividade é uma importante área de pesquisa para acadêmicos e cientistas industriais, mas é provável que uma solução seja encontrada primeiro no quadro negro e depois no laboratório.

Fonte: http://www.extremetech.com/extreme/208651-what-is-superconductivity

Efeito Meissner no supercondutor H2S (Magnetism measured for superconducting hydrogen sulfide)

Novas observações apoiam o estudo que sugeriu que compostos à base de hidrogênio submetidos a pressões extremamente altas podem se tornar supercondutores a altas temperaturas.

          Em dezembro de 2014, Mikhail Eremets e colegas do Instituto Max Planck mostraram que o sulfeto de hidrogênio (H₂S) sob pressão extrema poderia superconduzir a 190 K (-83 °C) a pressões de 150 GPa.

          Em um novo estudo, o grupo reportou um trabalho semelhante em que eles observaram o mesmo efeito a uma temperatura ainda mais elevada de -70 °C. Eles também foram capazes de observar o efeito Meissner, uma característica dos supercondutores onde o material expele o fluxo magnético após a temperatura reduzir abaixo da temperatura crítica - o ponto em que ele se torna um supercondutor.

A equipe usou um magnetômetro altamente sensível para medir o campo magnético de amostras de H₂S sob alta pressão, à medida que a temperatura foi lentamente aumentada por alguns graus acima do zero absoluto. O sinal aumentou repentinamente quando a temperatura passou de -70 °C.

          Ainda não está exatamente claro como compostos ricos em hidrogênio se comportam assim a pressões extremas, mas o grupo prevê que eventualmente estes sistemas podem superconduzir à temperatura ambiente.

Fonte: http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/07/magnetic-field-measured-superconducting-hydrogen-sulphide

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