Superconductividad en circuitos de potencia

Electricidad y Electrónica. Estado sólido. Superconductores. Generadores homopolares. Corriente. Campo y flujo magnético. Faraday. Onnes. Abrikosov

  • Enviado por: Eduardo Oliergárate
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 8 páginas
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LA SUPERCONDUCTIVIDAD EN CIRCUITOS DE POTENCIA

(Este trabajo está basado en un ejemplar de la revista Investigación y Ciencia de los años 70)

Para aprovechar los materiales que transportan corriente sin pérdidas, hubo que aguardar hasta la creación de los superconductores, que soportan altas densidades de corriente y fuertes campos magnéticos.

Los problemas iniciales.-

Un hilo que no ofrece resistencia al paso de una corriente eléctrica permanente suscita la posibilidad de generar energía eléctrica con un rendimiento cercano al 100% y su transmisión sin pérdidas a largas distancias. Hay varias razones para explicar porqué no están llenos los circuitos de potencia de superconductores y porqué no ha sido comercializado todavía ningún generador o línea de transmisión superconductora.

El primer problema al que tiene que hacer frente esta tecnología es el de la refrigeración. La superconductividad se consigue sólo a temperaturas próximas al cero absoluto; por lo tanto, se necesita helio líquido como refrigerante. La necesidad de aparatos criogénicos excluye de partida la aplicación a pequeña escala de los superconductores; no servirían pues, en los circuitos eléctricos domésticos, por ejemplo. Sin embargo, en una gran central generadora de energía la refrigeración representa sólo un coste pequeño e inconvenientes de importancia mínima.

Hasta la década de 1960 existía un impedimento más serio contra la adopción de la tecnología de energía superconductora: los superconductores conocidos tendían a extinguirse o a ser restablecidos a su estado resistivo normal, si se les exponía a un fuerte campo magnético o si se les forzaba a transportar una alta densidad de corriente eléctrica. Las máquinas eléctricas de gran tamaño, como por ejemplo los dinamos, requieren casi invariablemente un campo magnético intenso y una alta densidad de corriente para funcionar con eficiencia.

Se han descubierto cierto número de aleaciones y compuestos superconductores no usuales que retienen su superconductividad incluso cuando se les somete a intensidades de campo y a densidades de corriente extremadamente altas. Estos materiales poseen también las temperaturas de transición hacia el estado de superconducción más altas, aunque sigue siendo necesaria la refrigeración por helio. Con la introducción de estas aleaciones y compuestos, se han salvado los principales obstáculos que se oponían a la creación de un sistema de potencia de superconducción. Los problemas que restan son más tecnológicos y económicos que físicos.

Hacia el superconductor.-

Los nuevos superconductores de campo y corrientes altos ofrecen dos ventajas para la industria eléctrica: pueden transportar grandes corrientes eléctricas a través de un calentamiento resistivo, sin pérdida alguna de energía, y pueden operar en campos magnéticos muy intensos. Consideradas aisladamente, ambas propiedades son valiosas; ahora bien, los mayores beneficios se recaban probablemente de su combinación en un material único. Para explicar este punto convendrá dar un breve repaso a la historia de la tecnología de la energía eléctrica.

Dos hechos iniciales importantes fueron la invención de la batería electroquímica por Alessandro Volta en 1800 y el descubrimiento realizado en 1819 por Hans Christian Oersted de que la corriente eléctrica que fluía por un hilo conductor originaba un campo magnético local. En 1830, Michael Faraday, Joseph Henry y otros hallaron que el campo magnético así generado podía acrecentarse arrollando el conductor en una bobina o hélice dispuesta alrededor de un núcleo de hierro. Tales electroimanes se convirtieron en los bloques centrales de soporte del equipo de potencia.

El siguiente avance de interés se debe también a Faraday. Nos referimos a su descubrimiento, en 1831, de la introducción de corriente en un conductor producida cuando éste se mueve a través de un campo magnético. Más tarde, Faraday construyó modelos de generadores homopolares o de disco rotativo que generan corriente continua y modelos de bobina giratoria que generan corriente alterna. La explotación industrial de estos principios se retrasó a 1870, cuando la invención de la luz eléctrica creó un incentivo económico para la construcción de las redes comunitarias de energía eléctrica. La industria moderna de energía eléctrica se propagó rápidamente después de 1870 a través de los esfuerzos de inventores-empresarios tales como Thomas Edison y George Westinghouse.

Las ventajas de transmisión de potencia a altas tensiones y de su generación y su utilización a tensiones mucho más bajas condujo pronto a la industria a adoptar la corriente alterna, por cuanto la transformación de tensión resultaba relativamente sencilla. A medida que los alternadores de las estaciones centrales aumentaron de tamaño, el modelo de generador Faraday fue evolucionando. Se hizo girar el electroimán en el centro de la máquina y se generó la potencia en bobinas fijas que rodeaban el imán. El desarrollo intensivo de esta idea en el siglo pasado permitió conseguir potencias de salida de más de 1000 megavatios en un solo alternador. En principio, con 400 máquinas de este tipo se podría cubrir la potencia actual consumida por los Estados Unidos.

Todas las máquinas eléctricas actuales se excitan mediante electroimanes que emplean bobinados de cobre. En estos aparatos, la mayor parte del flujo magnético proviene de la alta permeabilidad ferromagnética del hierro o de las aleaciones de hierro; los bobinados de cobre se limitan a aplicar un pequeño campo excitador al núcleo de hierro. Cada átomo de hierro, o de otro material ferromagnético, posee un momento magnético que puede ser inducido a alinearse con un campo magnético impuesto desde fuera. La proporción de momentos atómicos alineados depende de la tensión del campo aplicado, y por tanto, de la corriente de excitación. Incluso con una corriente relativamente pequeña, la mayoría de los momentos magnéticos están alineados, dando como resultado que la magnitud del campo magnético total supere en mucho a la atribuida a los propios abobinados aislados. Por consiguiente, la función del núcleo de hierro es acrecentar el campo magnético generado por la corriente de excitación

Este proceso tiene un límite obvio; una vez que los momentos atómicos son paralelos, los incrementos ulteriores que puedan registrarse en la corriente de excitación no inciden ya en la magnetización. Se dice entonces que el núcleo está saturado. En el caso del hierro, la saturación se alcanza para una intensidad de campo de unas dos tesla, es decir, unos 20.000 gauss. (Para poder comparar, el campo magnético en la superficie de la tierra tiene un valor medio de un gauss aproximadamente). Los imanes, las máquinas eléctricas y los restantes componentes del sistema de potencia están actualmente limitados en su rendimiento por la barrera de la saturación.

La barrera de flujo de dos tesla de la tecnología de potencia eléctrica no es rígida; podemos franquearla en el laboratorio de múltiples formas. Por ejemplo, el nivel de flujo de saturación de ciertos metales raros, tales como el dysprosium, se aproxima a cuatro tesla a baja temperatura. También pueden obtenerse campos magnéticos permanentes superiores a 20 tesla con bobinas solenoides2 de cobre de alta potencia refrigeradas por agua, del tipo de las que desarrollara, por primera vez Francis Bitter hacia el año 1935. Mediante las técnicas avanzadas por Peter Kapitza, en 1920, o por la compresión explosiva del flujo magnético en una envoltura metálica, pueden alcanzarse campos de corta duración con valores de cresta3 todavía más conspicuos.

Se precisa de una potencia enorme para excitar los imanes de tales bobinas de solenoide de cobre y hay que bombear grandes volúmenes de agua a través de los arrollamientos para mantenerlos fuera del estado de fusión. Estos métodos tan bastos son adecuados para la investigación, pero no sirven para las aplicaciones diarias del sistema de potencia eléctrica. Aun cuando este tipo de imán pudiera actuar con fiabilidad en un generador, la energía consumida en sus arrollamientos sobrepasaría con creces la ganancia que pudiera obtenerse en el rendimiento resultante del campo magnético más intenso.

Las grandes cantidades de energía disipadas en los arrollamientos de un imán de cobre no se necesitan para mantener el campo magnético. Al contrario, no se precisa de energía alguna para mantener un campo magnético permanente una vez establecido éste. La energía se pierde en la compensación de la resistencia del cobre frente a la circulación de la corriente de excitación. De aquí se sigue que un imán superconductor, que tiene una resistencia nula, puede mantener un campo magnético sin la entrada de energía. La intensidad máxima del campo magnético no viene limitada por los requerimientos de potencia o por la disipación de calor, sino únicamente por las propiedades intrínsecas del material superconductor.

El descubrimiento. Las propiedades.-

La superconductividad fue descubierta hace 90 años por el investigador holandés Heike Kamerlingh Onnes, quien notó con sorpresa que un hilo de mercurio helado perdía bruscamente toda su resistencia eléctrica a una temperatura inmediatamente inferior a 4,2 grados Kelvin, que es el punto de ebullición del helio. Más tarde la transición abrupta a un estado sin resistencia se descubrió en el plomo a la temperatura de 7,2 grados y en el estaño a 3,7 grados. Onnes pensó en seguida la posibilidad de construir un electroimán de alto campo y, en 1913, construyó una bobina de plomo para ensayar la idea. Los resultados fueron desconcertantes. Si bien la bobina era superconductora en tanto que la corriente de excitación fuera pequeña, cuando el campo magnético excedía de una intensidad moderada el plomo pasaba siempre al estado resistivo. Experimentos ulteriores mostraron que todos los superconductores metálicos puros presentaban una intensidad de campo crítica que les era propia y que estaba claramente definida, siendo usualmente menor de 0,1 tesla; al llegar a este valor, la superconductividad se extinguía súbitamente.

Las propiedades magnéticas de un superconductor son insólitas incluso para campos inferiores al nivel crítico. Si se aplica un pequeño campo magnético a un superconductor, aquél induce una sobrecorriente permanente en la superficie del metal, que excluye el flujo del campo magnético desde el interior. El campo magnético penetra sólo hasta una capa delgada de la superficie. La longitud hasta la que el campo se extiende dentro del material denominada profundidad de penetración, suele ser de 10 elevado a -5 centímetros o menor.

En las postrimerías de la década de los treinta, se llegó al conocimiento de que la superconductividad provenía de una transición de fase entre los electrones de conducción del metal. A temperatura ambiente, los electrones forman un gas; por debajo de una temperatura crítica de transición, algunos de ellos pasan a una fase de condensación, la cual posee una energía más baja que la del gas. Faltaba todavía una teoría mecánico-cuántica de la condensación que se fundara en las interacciones básicas de los electrones.

Dicha teoría fue formulada en 1957 por John Bardeen, Leon N. Cooper y J. Robert Schrieffer, que estaban entonces en la Universidad de Illnois. Su análisis partía de la idea siguiente: quienes transportan la corriente eléctrica en un superconductor no son electrones individuales, sino pares de electrones corticales1 entrelazados. Naturalmente todos los electrones tienen la misma carga eléctrica negativa, por cuya razón tienden de ordinario a repelerse mutuamente, no a unirse entre sí. Sin embargo, en el retículo cristalino de un metal existe una interacción de atracción entre los electrones, que puede ser mediada por la existencia de iones metálicos positivos. Los iones positivos son más pesados que los electrones y se mueven mucho más lentamente; de ahí que se retrase su respuesta ante el paso de un electrón. La persistencia de la respuesta después del paso de un electrón crea una concentración de carga positiva que atrae al segundo electrón, apareándose ambos. La fuerza de atracción indirecta entre los electrones es excesivamente débil y, a temperatura ambiente, es compensada por su agitación térmica. Pero en un metal con una estructura química y cristalina adecuada y a temperatura próxima al cero absoluto, los electrones pueden reducir su energía total mediante la condensación en pares. Como todos los pares de electrones poseen necesariamente el mismo momento2 , el momento de un par no puede modificarse por difusión y, por tanto, no existe resistencia.

La teoría introducida por Bardeen, Cooper y Schrieffer daba cuenta, con buen acierto, de la mayoría de las características básicas del estado de superconduccion, energía reducida de los pares de electrones y existencia de un campo magnético crítico incluidas. Pero no abordaba otros aspectos de la superconductividad: las propiedades de las aleaciones superconductoras.

Se afrontó el estudio de las aleaciones superconductoras en la década de los 30. Se descubrió entonces que algunas presentaban una tolerancia frente a los campos magnéticos mayor que los materiales superconductores de metal puro.

En 1934, Cornelius J. Gorter, de la universidad de Leyden, y Heinz London, de la universidad de Oxford, sugirieron independientemente que podía explicarse la región de transición ampliada, característica de las aleaciones, mediante la formación de dominios superconductores y dominios normales que se alternasen a través del material.1

En 1953 Brian Pippard, de la universidad de Cambridge, introdujo el concepto de longitud de coherencia en los superconductores; esta longitud es una medida de la gama de las funciones de onda de mecánica cuántica que definen los pares de electrones superconductores. La longitud de coherencia también puede caracterizarse como el espesor mínimo de la interfase entre una región superconductora y otra normal. Pippard halló que la longitud de coherencia disminuía en las aleaciones con mayor concentración de soluto. Si esta longitud era menor que la profundidad de penetración, se satisfacía la condición de energía de interfase negativa de Gorter y London y resultaría una transición más amplia en un campo magnético.

La teoría de Abrikosov. Se crean las categorías.-

Estas ideas recibieron una nueva expresión en 1957 en el trabajo del físico ruso A.A. Abrikosov. Distinguía dos categorías de superconductores, designadas por tipo I y tipo II. En un campo magnético muy débil, estas dos clases de materiales actúan de forma muy parecida: ambos expelen completamente el campo. Las diferencias surgen cuando se intensifica el campo. En los materiales de tipo I, que en su mayor parte son materiales puros, la corriente de blindaje de la superficie se colapsa y el flujo magnético entra súbitamente en el material a una intensidad de campo crítica bien definida. Los materiales de tipo II muestran su superconductividad a través de un proceso más gradual. El flujo magnético empieza a penetrar a una intensidad de campo baja (el campo crítico más bajo), pero no se elimina la última traza de superconductividad hasta que se aplica un campo más intenso (el campo crítico superior).

La penetración del flujo magnético en un superconductor del tipo II depende crucialmente de una limitación de la mecánica cuántica: la existencia de un cuanto mínimo de flujo magnético. Por tanto, el campo del interior de un superconductor del tipo II no puede crecer continuamente, sino que debe aumentar por pasos, con un cuanto de flujo cada vez. Abrikosov sugirió que cada cuanto de flujo pasa a través del material dentro de un canal microscópico de metal resistivo normal. Cada canal está rodeado por un pequeño torbellino de sobrecorriente, que actúa protegiendo el material superconductor próximo respecto del campo interno del cuanto de flujo. La función de la corriente en el torbellino es análoga a la de la corriente de blindaje superficial a intensidades de campo más bajas.

Una sección transversal de tal tipo de torbellino revelaría una región estrecha del núcleo donde el manto magnético alcanza su valor máximo y donde la densidad de los pares de electrones superconductores es mínima. Un observador que se desplazara hacia el exterior desde el núcleo comprobaría que la densidad de los electrones apareados aumentaba y se aproximaba a la densidad de equilibrio característica del material compacto a una distancia de una longitud de coherencia. A la inversa, el campo magnético disminuiría con la distancia referida al núcleo, y llegaría a anularse a la distancia de una profundidad de penetración de valor unidad.

El tipo I o el tipo II de un superconductor dado viene determinado por los valores relativos de la longitud de coherencia y de la profundidad de penetración. En los metales puros y en otros materiales pertenecientes al tipo I, la longitud de coherencia es mayor que la profundidad de penetración; no se forman torbellinos. El coste energético invertido en la creación de un torbellino es mayor que el gastado en eliminar completamente el estado de superconducción. En los materiales del tipo II, la longitud de coherencia es menor que la profundidad de penetración. Por tanto, sale energéticamente favorecida la formación de torbellinos.

A medida que aumenta el campo magnético aplicado a un superconductor del tipo II, va creciendo el número de cuantos de flujo enfilados a través del material. Forman típicamente una estructura similar al cristal con una célula unitaria triangular. Entre los canales del torbellino quedan regiones del metal superconductor; de este modo persiste la superconductividad en el material compacto. Mientras se mantenga un único filete contínuo de superconductor, la resistencia medida en la muestra debe ser igual a cero. El superconductor del tipo II sólo se extingue cuando los torbellinos están agrupados tan estrechamente que no puede existir ese paso continuo; tal ocurre cuando se alcanza al campo crítico superior.

Aunque el modelo de Abrikosov aportaba una base teórica que permitía comprender los superconductores de alto campo, no despertó de inmediato ningún interés hacia la tecnología de la superconductividad. La posibilidad de campos críticos extremadamente altos, mayores de dos teslas, no era obvia, por un lado, y además, no se consideraba la cuestión de la densidad de corriente.

En busca del superconductor ideal. Nuevos problemas.-

El descubrimiento de superconductores útiles desde el punto de vista tecnológico resultó de la búsqueda de nuevos materiales de temperatura altamente críticas. T.H Geballe, J.K. Hulm y Bernd T. Matthias de la Universidad de Chicago, trabajaron con un compuesto superconductor, de niobio-estaño, que se convertía en superconductor a los 18 grados Kelvin y sostenía una intensidad de corriente de más de 100.000 amperios, inmerso en campo magnético de casi nueve teslas. Su campo crítico excedía por su parte los 20. El material era un superconductor del tipo II y cuya longitud de coherencia era mucho más corta que su profundidad de penetración Gorter y Philip W. Anderson observaron que la corriente en el superconductor ejercía una fuerza en las líneas de flujo magnético que tendían a empujarlas en ángulo recto con relación a su propio eje y a la dirección del flujo de la corriente a la vez. El movimiento de las líneas de flujo por la influencia de esta fuerza podía ocasionar un calentamiento que extinguiese la superconductividad. Se intentaron diversos modos de acabar con este sobrecalentamiento, pero ninguno con éxito total. Así que se llegó a la conclusión de que los superconductores de campo y corriente altos reseñan por lo general a malos conductores en estado normal resistivo.

Desde la década de los 60 se han encontrado varios materiales que satisfacen para trabajar con un campo y corriente altos. Sólo dos de ellos se han utilizado finalmente en los imanes superconductores, aleaciones de niobio y titanio. Estos materiales por tanto poseen una longitud de coherencia mucho más pequeña que la profundidad de penetración.

Ni siquiera disponiendo de los materiales adecuados la fabricación de un imán superconductor resulta una tarea simple. Si alguna pequeña región del arrollamiento extingue su superconductividad por superar la densidad de corriente eléctrica, es necesario que los imanes superconductores prácticos pasen seguros al estado normal. En una bobina de un superconductor puro, esta zona se comportaría como una conexión de alta resistencia y se vería spometido a un fuerte calentamiento resistivo. El calor desarrollado extinguiría naturalmente las zonas próximas al superconductor, con lo que no aumentarían las zonas normales. De no controlarse ese proceso las consecuencias podrían ser terribles. El colapso podría introducir altas tensiones; éstas podrían destruir el aislamiento y dañar permanentemente la estructura.

Para evitar esto un primer paso sería revestir el superconductor de un conductor normal de baja resistencia, con cobre, por ejemplo. En el caso de que una región del arrollamiento perdiese su superconductividad, la corriente de excitación se dirigiría al cobre.

Este revestimiento permite que un pequeño imán superconductor pase a salvo hacia el estado resistivo. Pero en un imán de mayor tamaño la energía sería demasiado grande para disiparse en forma de calor por los arrollamientos. Para solucionarlo se creó la estabilización criostática. Se aumentó el cobre hasta alcanzar valores de 20 a 1 en relación al superconductor. Se hizo circular además helio de refrigeración directamente sobre la superficie de los arrollamientos, para extraer el calor con rapidez. Con ello una pequeña región resistiva podía eliminarse sin que la temperatura aumentara, deteniéndose el crecimiento de la zona normal, restableciéndose la superconducción. El mayor conveniente de esta técnica es que reduvce sensiblemente la densidad de corriente total en el arrollamiento. Para obtener campos más elevados se ha desarrollado una nueva estrategia, identificando una liberación de energía con su consiguiente elevación de la temperatura a la que se denominó salto de flujo (producida a medida que cambia el campo en el superconductor). La energía térmica liberada por un salto de flujo es proporcional al diámetro del hilo superconductor. Por ello es posible reducir el efecto de las inestabilidades del salto de flujo sustituyendo un conductor único por un conjunto de pequeños superconductores embebidos en una matriz de un buen conductor normal. La fabricación de tales conjuntos de microfilamentos es una tecnología muy compleja.

Pero el desarrollo de los conjuntos de multifilamentos no ha eliminado totalmente la fase de ensayo de los imanes superconductores. El problema ha surgido de nuevo al introducirse imanes mayores. Parece como si al excitar por primera vez el imán, ,los conductores deban “ponerse en condiciones de funcionar” pasando a nuevas posiciones y liberando picos de calor. Además de los picos térmicos provocados por los saltos de flujo y por el movimiento del conductor, se genera también calor en el arrollamiento magnético por las corrientes de blindaje inducidas siempre que cambia el campo interno. Muchos imanes de investigación de gran tamaño como los aceleradores de partículas deben ser alimentados en un régimen de todo-nada, por lo que el campo varía rapidisimamente. La fabricación de filamentos cada vez menores reduce sensiblemente las llamadas pérdidas dinámicas. Además se incorporan barreras resistivas entre ellos normalmente a partir de una aleación de cobre-níquel de alta resistencia. Así, el material final tiene una estructura francamente complicada: un haz de filamentos finísimos superconductores (torsionados y transpuestos), embebidos cada uno en cobre y aislado de sus elementos más próximos por una pared delgada de cobre-níquel. Hay en estudio otras maneras de fabricar superconductores, entre ellas unos del “tipo A15” de los que no hablamos por su excesiva complejidad.

Aplicaciones de la tecnología superconductora.-

Quizás la aplicación más sencilla de la tecnología de los superconductores sea la fabricación de imanes fijos proyectados para generar un campo constante o un campo que sólo cambia muy lentamente. Dentro de unos años podrían utilizarse en la industria de energía eléctrica. Los imanes superconductores se han mostrado especialmente útiles en la física de las partículas fundamentales: el de la CERN en Ginebra, el del Fermilab de Chicago, el anillo en el Brookhaven National Laboratory en EE.UU,…

Los imanes superconductores alimentados por corriente continua tienen un gran número de aplicaciones potenciales en la industria eléctrica: la técnica de generación por magnetohidrodinámica, o simplemente MHD, que puede sustituir la caldera, la turbina y el alternador de un grupo de potencia que queme carbón o fuel-oil. Su explicación resultaría muy larga, pero se puede decir que está basado en un campo que desvía los iones positivos de los negativos en direcciones opuestas de un plasma a alta temperatura.

De la adopción de superconductores en los grandes alternadores cabe esperar varias ventajas. Supondría acabar con las pérdidas eléctricas en un 50% o más, lo que supondría un ahorro energético considerable. Aun cuando el coste inicial del alternador superconductor resultase un poco elevado el rendimiento eléctrico mejorado representaría una ventaja económica. Sólo parte de los ahorros pueden atribuirse directamente a la eliminación de pérdidas resistivas en los arrollamientos del rotor. Otra economía energética tiene que ver con la eliminación de la carga de refrigeración normal del rotor. Aunque se ha de contar con un refrigerador de helio para el rotor superconductor, su consumo de energía es mucho menor que el de los ventiladores necesarios para refrigerar un rotor de bobinado de cobre.

Un alternador superconductor será también menor que una máquina en cobre e hierro con la misma capacidad de potencia, lo que deberá reducir los costos de transporte. Además, las reducciones en tamaño y en peso factibles gracias a los campos magnéticos más altos de los sistemas superconductores resultan bastante atractivas para los equipos de aviones y embarcaciones.

Todas estas aplicaciones le auguran mucho futuro a los superconductores. Todavía hay problemas por resolver, todos esos aumentos de temperatura, la dificultad para encontrar helio,… pero la base está ahí, por lo que pensar en las aplicaciones a gran escala de esta tecnología aparecerán pronto.

1 Tesla = 10.000 gauss. Medida de campo magnético.

2 solenoide: circuito que genera un campo magnético.

3 valores de cresta: los valores máximos del campo magnético.

1 Electrones corticales: Los de la última capa.

2 Momento de un electrón: La fuerza de giro del electrón.

1 dominios: zonas de conducción de la electricidad

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