Aplicação de supercondutor de alta temperatura produz maior campo magnético do mundo (Application of high-temperature superconductor yields world's highest magnetic field)

Uma parte do sistema recentemente desenvolvido, um RMN de 1020 MHz equipado com ímãs supercondutores (5 m de altura e 15 toneladas). Hélio líquido é utilizado para a refrigeração.

Uma equipe de pesquisadores japoneses desenvolveu com sucesso um sistema de ressonância magnética nuclear (RMN de 1.020 MHz), equipado com o maior campo magnético do mundo. A equipe confirmou o seu desempenho consideravelmente melhorado em comparação com sistemas convencionais de RMN em termos de sensibilidade e resolução.

        Sistemas RMN são usados para vários fins, incluindo a análise conformacional 3D de biopolímeros como proteínas, química orgânica e pesquisa de materiais. Em particular, é uma das ferramentas indispensáveis ​​para o desenvolvimento de novas drogas. No desenvolvimento de uma nova droga, é vital a compreensão de uma forma rápida e precisa das estruturas da proteína. Nessa visão, melhorar o desempenho dos sistemas RMN é de grande importância. A intensidade do campo magnético é um indicador chave do desempenho dos sistemas RMN. Não havia concorrência para desenvolver sistemas RMN com campos magnéticos superiores a 1.000 MHz. Durante muito tempo, esperava-se amplamente que a utilização de supercondutores de alta temperatura permitiria a produção de campos magnéticos acima de 1000 MHz. No entanto, como supercondutores de alta temperatura possuem problemas de fragilidade e processabilidade, nenhuma das partes tinha alcançado seu uso prático por um longo tempo.

        Através do desenvolvimento de várias novas tecnologias, incluindo a produção de fios com supercondutores de alta temperatura desenvolvida pela NIMS, a equipe de pesquisa criou recentemente o sistema RMN equipado com o campo magnético mais alto do mundo em 1020 MHz. Antes de alcançar esta conquista, a equipe passou 20 anos de planejamento, projeto e construção, bem como a superação de muitas dificuldades, como a suspensão do projeto.

        É esperado que o campo magnético extremamente alto contribua grandemente em vários campos de pesquisa como a biologia estrutural, a química analítica e a engenharia de materiais. Além disso, considerando que a RMN requer um campo magnético com extraordinária precisão, a tecnologia de supercondutores de alta temperatura desenvolvida para o RMN é aplicável a vários sistemas de alta tecnologia, como a fusão nuclear, trens de motor e cabos de alimentação.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-07-application-high-temperature-superconductor-yields-world.html

Fonte2: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1090780715000968

Bobinas supercondutoras estimulam avanços na terapia de feixe de prótons (Superconducting Coils Spur Advances in Proton Beam Therapy)

Um acelerador supercondutor de prótons do MIT está diretamente ligado à cabeça da torre do PRONOVA para a terapia de radiação com feixe de prótons (PBRT - proton beam radiation therapy). A grande redução no tamanho do acelerador permite o tratamento de um ou dois ambientes, reduzindo o preço e melhorando a comodidade do PBRT em pacientes com câncer.

Para muitos tipos diferentes de câncer entre os pacientes de vários grupos etários, a terapia de radiação com feixe de prótons (PBRT- proton beam radiation therapy) é uma alternativa desejável em relação a outros tipos de terapia que usam radiação. Na PBRT, os aceleradores liberam feixes de prótons de alta energia para irradiar tumores cancerígenos. Um feixe de prótons pode ser apontado diretamente para o tumor, poupando da radiação o tecido saudável circundante.

       Com apenas 14 clínicas nos EUA, a PBRT não está disponível para todos os que se qualificam. Por mais de 10 anos, cientistas do Plasma Science and Fusion Center (PSFC) no MIT pesquisaram novos projetos para reduzir os custos de máquinas PBRT em clínicas de tratamento de câncer em todo o mundo.

       Em 2008, uma equipe do PSFC projetou um equipamento leve e compacto, substituindo bobinas eletromagnéticas de cobre com variedades supercondutoras. Bobinas supercondutoras são arrefecidas a baixas temperaturas a fim de reduzir a resistividade do material. O uso de materiais supercondutores permite fabricar bobinas menores com menos espiras e gerar campos magnéticos elevados, diminuindo o peso total do acelerador.

       O novo design pode ser colocado diretamente sobre a cabeça da torre que direciona o feixe de prótons em tumores. O projeto do MIT substitui o enorme tamanho do antigo sistema que exigia uma sala separada para o equipamento e outra para o paciente.

       Agora, a equipe reduziu ainda mais o tamanho e o peso do sistema, eliminando pesados componentes de ferro. Os supercondutores vão substituir uma viga de ferro no centro da lacuna de aceleração, o que aumenta o campo magnético estático e mantém os prótons num movimento em espiral no plano da aceleração. Bobinas supercondutoras também substituirão uma junção de ferro que contém o campo magnético interno e protege o equipamento no exterior.

       O ferro atinge a saturação magnética em cerca de 2 Tesla. Com a substituição por eletroímãs supercondutores, a equipe pode chegar a campos magnéticos mais altos com uma fonte de alimentação inferior. O design irá também proporcionar um maior controlo sobre a intensidade do feixe, que pode ser controlado alterando a corrente fornecida às bobinas. Isso permitirá aos médicos aumentarem ou diminuírem a intensidade para correlacionar com diferentes profundidades e densidades do tumor.

       Os pesquisadores do PSFC tem outras expectativas para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de aceleradores de prótons para tratamento de câncer. Ao aumentar o campo magnético sem restaurar a uma fonte de alta tensão, a equipe espera ser capaz de acelerar outros íons pesados ​​a altas velocidades. Por exemplo, íons de carbono podem ser mais eficazes para o tratamento do câncer do que prótons de luz.

Fonte: http://machinedesign.com/technologies/superconducting-coils-spur-advances-proton-beam-therapy

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