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La nanotecnología se adentra en el mundo de los superconductores

Gracias a fondos concedidos por la Unión Europea, unos investigadores han conseguido incrementar notablemente la corriente que pueden transportar sin pérdidas unas películas superconductoras delgadas para altas temperaturas en longitudes adecuadas para usos comerciales. Sus resultados podrían cambiar la forma en que se produce y transmite la energía, ya que hacen posibles redes eléctricas, o también motores y generadores, sin pérdidas de corriente. Además, podrían dar lugar a la producción de imanes extremadamente potentes.
La nanotecnología se adentra en el mundo de los superconductores
La superconductividad, descubierta en 1911, es una propiedad que tienen algunos materiales de conducir la electricidad con pérdidas de potencia muy bajas cuando se encuentran por debajo de cierta temperatura. A diferencia de conductores bien conocidos, como el cobre, en los que parte de la energía se pierde en forma de calor (fenómeno que va en aumento con la distancia recorrida por la carga), los materiales llamados superconductores son capaces de transportar corrientes inmensas sin generar fricción ni sufrir pérdidas en forma de calor, por lo que ofrecen una verdadera solución de cara a transmitir energía de manera eficiente.

No obstante, los superconductores que existen a la venta en la actualidad funcionan a temperaturas muy bajas, lo cual obliga a utilizar helio, que es caro, y por ello las principales aplicaciones han sido en imanes potentes. Más recientemente han aparecido superconductores que pueden funcionar a temperaturas superiores, lo que abarata costes, al eliminar la necesidad de mantenerlos con un sistema de refrigeración costoso o complejo. Algunos funcionan con helio líquido y generan campos magnéticos de intensidad elevadísima. Lamentablemente, son demasiado frágiles para los procesos comunes de fabricación de alambres.

En el marco del proyecto financiado con fondos europeos EUROTAPES (European development of superconducting tapes: Integrating novel materials and architectures into cost effective processes for power applications and magnets), dichos investigadores aplicaron métodos innovadores para crear películas superconductoras delgadas cuya temperatura de transición superconductora alcanza los 92 K (-181 °C) y que son capaces de transportar corriente de manera eficaz.

El equipo del proyecto introdujo nanopartículas con un tamaño de tan sólo 4 nm en la matriz de películas delgadas de YBa2Cu3O7 (YBCO) epitaxiales producidas conjugando distintos métodos de deposición, como la deposición por láser pulsado y la deposición en solución química (impresión por chorro de tinta) para aprovechar las ventajas de cada opción. Estas partículas tan diminutas hicieron posible incrementar considerablemente la corriente máxima que los superconductores pueden transportar sin pérdidas, incluso estando sometidos a campos magnéticos de gran intensidad.

Las actividades del proyecto giraron en torno a tres aplicaciones para las que hubo que probar conductores en distintos rangos de temperatura e intensidad de campo magnético, con vistas a optimizar su rendimiento, lo cual representaba todo un reto. Concretamente, los investigadores consiguieron desarrollar cintas superconductoras de nanocompuestos y demostraron rendimientos satisfactorios bajo campos magnéticos ultra intensos (de más de 20 T) a temperaturas bajas (4 K) empleando helio líquido como refrigerante. También desarrollaron motores y generadores en campos magnéticos intensos (3-5 T) enfriados con criorrefrigeradores a 30-50 K. Por último, obtuvieron cables y limitadores de corriente de falla en campos magnéticos de baja intensidad (menos de 1 T) a temperaturas relativamente superiores (65-77 K) empleando nitrógeno líquido.

Si bien el helio líquido es caro, actualmente es el refrigerante que se usa en la mayoría de superconductores que se utilizan como imanes. Las nuevas cintas superconductoras presentaron altas prestaciones estando sometidas a campos magnéticos de intensidad ultra elevada y, por consiguiente, pueden utilizarse para construir una generación nueva de imanes potentes.

Métodos nuevos de coste bajo

Pese a que los superconductores de alto rendimiento pueden revolucionar totalmente los sistemas de energía vigentes, su coste de producción sigue siendo el mayor obstáculo de cara a su implantación. EUROTAPES proporcionó una unidad de producción de cinta superconductora de 600 metros de longitud y redujo aún más el ratio €/kA empleando métodos y materiales nuevos en su fabricación.

Además de la deposición por láser pulsado, los investigadores probaron una técnica de deposición en solución química para intentar tratar con mayor facilidad las películas delegadas de YBCO. Dicho método consistió en suspender nanopartículas para obtener tintas coloidales en solución y, acto seguido, imprimirlas sobre un sustrato metálico para obtener la cinta. Un aspecto esencial de la técnica fue el relativo a controlar la estructura y la estabilidad de las tintas coloidales creadas. «Conservar la estructura monocristalina de la cinta multicapa en longitudes de varios cientos de metros entrañaba una gran dificultad, pero EUROTAPES lo ha conseguido», aseguró Xavier Obradors, coordinador del proyecto.

«Para seguir aumentando la cantidad de corriente que puede ser transportada por la cinta, en los conductores epitaxiales se integraron materiales nanométricos no superconductores, además de los materiales superconductores, y ello modificó la estructura de la película», añadió Obradors.

Los materiales nanocompuestos, y en especial los recubrimientos y las películas delgadas, resultan de gran interés para multitud de aplicaciones industriales, y varios de los métodos desarrollados en el seno de EUROTAPES se pueden aplicar de forma fácil a otros sectores. Algunas aplicaciones en las que se necesitan de manera especial nanorrecubrimientos de gran superficie y longitud son las celdas fotovoltaicas, las ventanas electrocrómicas, las pilas de combustible y las baterías.

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Palabras clave

Superconductor de alta temperatura, redes eléctricas, motores, EUROTAPES, cintas superconductoras
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