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Cavi superconduttori supersottili
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno trovato un modo per realizzare cavi di alimentazione superconduttori ad alta temperatura che hanno un decimo del diametro dei cavi superconduttori esistenti ma possono trasportare la stessa quantità di corrente. I cavi sottili e flessibili potrebbero aprire nuove applicazioni nella trasmissione di energia elettrica e potrebbero portare a nuovi potenti magneti.
Bobina del superconduttore: La sezione trasversale di un nuovo tipo di cavo superconduttore ad alta temperatura mostra un nucleo di rame multifilare avvolto a spirale con nastri superconduttori.
I cavi potrebbero fornire un sostituto leggero e compatto per i cavi di alimentazione in rame, afferma un ricercatore del NIST Grazie van der Laan , che ha condotto i lavori. I magneti superconduttori realizzati con i cavi genererebbero campi magnetici molto più elevati di quelli oggi possibili. Campi così elevati sarebbero utili per la fisica delle alte energie e per le terapie protoniche utilizzate nel trattamento del cancro.
I superconduttori conducono correnti elettriche elevate senza riscaldarsi o perdere potenza quando vengono raffreddati. I magneti superconduttori presenti nei dispositivi di imaging medico e negli acceleratori di particelle utilizzano tipicamente leghe di niobio che trasformano il superconduttore al di sotto di 10 K (-263 °C). Ma alcuni composti fatti di elementi di terre rare, bario, rame e ossigeno diventano anche superconduttori a temperature superiori a 70 K (-203 °C), a quel punto possono essere raffreddati utilizzando azoto liquido o gas elio.
I cavi superconduttori ad alta temperatura sono stati propagandati come una promettente alternativa ai cavi in rame per la trasmissione di energia elettrica in contesti urbani e spazi compatti. Questo perché un solo cavo superconduttore potrebbe sostituire più di 10 cavi in rame, riducendo il peso di oltre il 95% ed eliminando le perdite di calore.
I cavi di alimentazione superconduttori criogenici sono generalmente realizzati utilizzando nastri superconduttori avvolti attorno a nuclei metallici solidi o cavi. I nastri sono sottili strisce di metallo rivestite con uno strato micrometrico di superconduttore e pellicole di isolanti ceramici. I cavi superconduttori sono stati recentemente utilizzati in piccole dimostrazioni di reti elettriche. Ad esempio, nel 2006 è stato installato un cavo a base di bismuto in una sottostazione di servizi a Columbus, Ohio. Ha un diametro di sette centimetri e può trasportare 3000 ampere.
In confronto, van der Laan ha realizzato un cavo largo 7,5 millimetri che può trasportare 2.800 ampere. Un altro ha un diametro di 6,5 millimetri e può trasportare 1.200 ampere. I cavi possono essere piegati attorno a un cavo di diametro inferiore a un quarto di metro.
Van der Laan inizia con un nucleo costituito da più trefoli di rame rivestiti con isolamento in nylon. Quindi avvolge nastri superconduttori fatti di gadolinio cuprato di bario in direzioni alternate attorno al nucleo. I suoi risultati sperimentali sono stati recentemente pubblicati online sulla rivista Scienza e tecnologia dei superconduttori .
I cavi superconduttori convenzionali sono più leggeri di quelli in rame, ma sono comunque così pesanti che devono essere interrati, afferma van der Laan. I ricercatori stanno esaminando le opzioni per usarli come linee aeree invece che sotterranee, dice, ma i cavi convenzionali sono stati troppo pesanti per essere usati in alto. Un vantaggio dei nostri cavi è che sono molto più leggeri.
Fino ad ora, si presumeva che non si potessero realizzare cavi superconduttori così sottili, afferma Venkat Selvamanickam , professore di ingegneria meccanica ed esperto di superconduttività ad alta temperatura presso l'Università di Houston. La preoccupazione era se i nastri potessero essere piegati a nuclei di diametro così piccolo e mantenere comunque un'elevata capacità di trasporto di corrente senza alcun danno.
David larbalestier , uno scienziato del National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee, in Florida, afferma che i nuovi cavi sono un perfetto esempio di buona ingegneria. Non c'è nessuna nuova scienza missilistica qui. Hanno applicato tecniche perfettamente standard per realizzare un cavo. Tuttavia, Larbalestier non pensa che i nuovi cavi troveranno facilmente la loro strada nella trasmissione di potenza. Molte persone vorrebbero usare superconduttori ad alta temperatura per rivoluzionare il settore dei servizi elettrici, dice. Ma l'industria è relativamente conservatrice e non è abituata alla criogenia. D'altra parte, il grande mercato multimiliardario per i superconduttori sta producendo magneti che consumano pochissima energia.
I magneti superconduttori di oggi contengono fili di niobio-titanio avvolti in bobine che possono fornire al massimo 25 campi magnetici Tesla. I magneti realizzati utilizzando i nuovi cavi superconduttori ad alta temperatura potrebbero fornire campi più elevati pur richiedendo potenzialmente meno energia per il raffreddamento. .
Il peso ridotto e la flessibilità sono particolarmente attraenti per i militari in sostituzione degli ingombranti cavi in rame che trasportano grandi quantità di energia dai generatori alle armi e ai dispositivi a bordo di aerei e navi. Se stai cercando di sostituire i cavi di rame standard su una nave della Marina, devi essere in grado di far passare il cavo attraverso i condotti esistenti con molte curve strette, dice van der Laan. Ora sta realizzando un cavo dimostrativo per l'esercito americano. Ricercatori presso CERN (l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare) in Svizzera sono anche interessati a utilizzare i cavi sottili per alimentare le diverse migliaia di ampere di corrente ai magneti utilizzati al Large Hadron Collider .