Los 10 usos principales de la superconductividad que impulsan nuestro futuro

Como especie, el Homo Sapiens ha experimentado las maravillas de la electricidad durante aproximadamente los últimos 100 años. La electricidad cambió para siempre la civilización moderna, sin ella nunca habría habido revolución industrial. El uso de la electricidad en nuestra vida cotidiana se ha convertido en un lugar tan común que se piensa poco en el hecho de que solo ha existido menos de una centésima parte del uno por ciento en el continuo de los humanos modernos.

Un descubrimiento posterior a la electricidad a principios del siglo XX fue superconductividad, que es la pérdida completa de resistencia eléctrica y el desplazamiento de los campos magnéticos cuando ciertos materiales se enfrían a una temperatura crítica.

La superconductividad ha recorrido un largo camino desde su descubrimiento a principios del siglo XX, recibiendo también la Premio Nobel de Física en 1987.

Se están desarrollando e implementando numerosas aplicaciones de superconductividad y son estas aplicaciones las que una vez más cambiarán nuestra civilización en el futuro de la misma manera que lo hizo la electricidad en el siglo XX.

10. ITER

La Reactor experimental termonuclear internacional (ITER) es una empresa conjunta en la que participan siete órganos de gobierno. El ITER es actualmente uno de los proyectos científicos públicos más caros de la historia. El objetivo de ITER es demostrar que la fusión es viable obteniendo más energía que aportando. ITER se está construyendo en Francia y será el tokamak más grande jamás construido. Un tokamak es un dispositivo que utiliza un campo magnético para confinar un plasma en forma de toro. La cantidad de temperaturas que ITER planea inducir dentro del tokamak estará entre 150 y 300 millones de grados Celsius. A esas temperaturas, los isótopos de hidrógeno (por ejemplo, deuterio) pueden fusionarse convirtiéndose en uno de los cuatro estados de la materia (por ejemplo, plasma). El tokamak requerirá grandes bobinas superconductoras para crear un inmenso campo magnético para contener el plasma. El desafío que tiene por delante el ITER es enorme porque existen otros medios para producir fusión además del tokamak. Es probable que el ITER continúe en su camino para entrar en funcionamiento a finales de la década de 2020 y demostrará que la energía de fusión es alcanzable. Sin embargo, empresas como Fusión general y Lockheed Martin es probable que lleve la energía de fusión al mercado comercial antes de que se active el ITER.

9. Tren cuántico

La levitación magnética (maglev) está a punto de ser adoptada en muchos nuevos modos de transporte, pero pocos están adoptando HTSM (High Temperature Superconducting Maglev). Aunque el maglev se puede crear mediante varios procesos diferentes, los más prometedores son las empresas que están aprovechando al máximo el efecto Meisnner. El efecto Meisnner permite que los trenes floten sobre una guía magnética permanente. Actualmente hay mucho ruido en torno a la propuesta de Japón de construir un tren HTSM que podría lograr 600 km por hora. El tren HTSM de Japón desarrollado por JR Central tiene sus limitaciones debido a un costo extremadamente alto, pero el gobierno japonés tiene la intención de desarrollar una línea maglev superconductora entre Tokio a Nagoya cuesta más de $ 200 mil millones hasta su finalización. Un tren HTSM más rentable se conoce como el Tren cuántico. Un tren cuántico propuesto por los holandeses modificaría el ferrocarril existente y reduciría los costos significativamente en comparación con la propuesta japonesa. El tren cuántico tiene la intención de superar los 3000 km por hora debido a la adopción del transporte de tubo de vacío patentado.

8. resonancias magnéticas

Cuando un paciente se desliza hacia una máquina moderna de resonancia magnética (MRI), la superconductividad es lo que impulsa la técnica de imágenes médicas utilizada en radiología. Los escáneres de resonancia magnética utilizan campos magnéticos y ondas de radio para formar imágenes del cuerpo. La técnica se usa ampliamente en hospitales para diagnóstico médico, estadificación de enfermedades y seguimiento sin exposición a radiación ionizante. Las resonancias magnéticas utilizan fuertes campos magnéticos y requieren bobinas superconductoras que se enfrían mediante helio líquido. Las resonancias magnéticas son sin duda la aplicación más familiar de la superconductividad en el mundo moderno. Las resonancias magnéticas han hecho una gran variedad de diagnósticos que varían desde tumores malignos, esquizofrenia, enfermedades cardíacas y mucho más. Está claro que el uso de máquinas de resonancia magnética ha demostrado al mundo que la superconductividad tiene inmensos beneficios para el bienestar de la humanidad. Las máquinas de resonancia magnética en hospitales de todo el mundo han salvado millones de vidas, todo gracias a la superconductividad.

7. Motor HTS

La superconductividad de alta temperatura (HTS) es la fuerza impulsora en el campo de la superconductividad. Históricamente, los materiales superconductores requerían temperaturas críticas muy frías que solo se lograban con el uso de criógenos costosos, como el helio líquido, que operan a solo unos pocos grados por encima de Kelvin (cero absoluto). Los materiales HTS operan a una temperatura crítica mucho más alta (por ejemplo, 70 K) y requieren criógenos mucho más baratos, como nitrógeno líquido. El motor típico requiere mucho alambre de cobre, materiales y es muy ineficiente en comparación con un motor HTS. No es de extrañar que el Marina de los EE. UU. está allanando el camino al ser el primero en aplicar motores HTS a su armada, lo que proporcionará ahorros en costos de energía y llevará la eficiencia a un nuevo nivel.

6. Ascensores

https://www.youtube.com/watch?v=KUa8M0H9J5o

El futuro de las ciudades está llevando a la Megaciudad; poblaciones super densas de más de 10 millones de habitantes o más. Abundarán los rascacielos y cambiará la forma en que se transporta a las personas dentro de estas «ciudades amuralladas». El diseño del ascensor actual no ha cambiado materialmente durante más de 160 años y ha limitado a los arquitectos a construir formas nuevas, audaces y completamente diferentes para rascacielos. El uso de nuevos ascensores de levitación magnética para rascacielos cambiará por completo el diseño arquitectónico de los rascacielos en el futuro. Los ascensores superconductores permitirán que las megaciudades prosperen y permitirán Mega estructuras alcanzar más de una milla de altura en la atmósfera. Los ascensores superconductores aprovechan el efecto Meisner y utilizan una serie de Motores de inducción lineal para acelerar las cabinas de los ascensores que levitan magnéticamente vertical y horizontalmente. El edificio más alto del mundo en Dubai, Burj Khalifa, parecerá trivial en altura en las próximas décadas.

5. StarTram

Cuesta mucho dinero enviar cualquier cosa al espacio, miles de millones se gastan anualmente para enviar satélites a LEO y la Estación Espacial Internacional (ISS) ha superado los $ 125 mil millones en costos. Y debido al costo, StarTram todavía es considerado por una abrumadora mayoría como inviable en el mundo actual. Pero StarTram permitiría enviar carga y pasajeros a la órbita terrestre baja (LEO). Dr. James Powell, co-inventor de StarTram, es considerado un adelantado a su tiempo y un verdadero «All Star» en el mundo de la superconductividad. El Dr. Powell inventó el maglev superconductor a finales de los 60 y sus contribuciones a la superconductividad son sustanciales, por decir lo menos.

Los principios detrás de StarTram involucran cientos de millas de tubos conectados evacuados de aire que alcanzarían 14 millas en la atmósfera. Un portal espacial SkyTram estaría ubicado en una cadena montañosa a unas pocas millas sobre el nivel del mar (por ejemplo, Mongolia) para anular parte del costo de conectar los tubos desde el nivel del mar hasta las 20 millas de altura. Los tubos de SkyTram estarán revestidos con imanes permanentes, mientras que las cápsulas de levitación magnética superconductoras de SkyTram podrán acelerar a través de los tubos evacuados (sin resistencia del aire) a más de Mach 20 para alcanzar LEO. El costo estimado de SkyTram es de más de $ 60 mil millones y requeriría una coordinación masiva, tanto política como comercial, para hacer SkyTram una realidad. Como especie, siempre hemos estado reflexionando sobre lo que se encuentra a través de la inmensidad entre las estrellas y es absolutamente crítico como especie sobrevivir para salir de este ‘Punto azul pálido’. StarTram reduciría en gran medida el costo de los viajes espaciales y conduciría a la construcción de naves estelares como la superconductora. EmDrive lo que permitiría a la civilización viajar entre las estrellas.

4. EM Drive

Es muy posible que el mayor descubrimiento en sistemas de propulsión en la historia de la humanidad sean las implicaciones de la EM Drive. El EM Drive fue inventado por el ingeniero británico Roger Shawyer en 2000 y ha sido rechazado por la comunidad científica durante más de una década porque EM Drive indica que rompe la tercera ley de la termodinámica de Newton, la conservación del impulso. Sin embargo, Científico chinos en 2010 y científico de NASA en 2014 confirmó EM Drive de Roger que al convertir la electricidad en microondas electromagnéticas dentro de una cámara especialmente diseñada exhibió empuje medible. Las ramificaciones del EM Drive significan que no se necesita ningún propulsor para propulsar un satélite o una nave espacial a través del espacio, solo una fuente de energía (por ejemplo, materiales radiactivos).

A pesar del escepticismo y la controversia que EM Drive ha provocado en la comunidad científica, la versión superconductora de EM Drive permitiría aumentar la eficiencia del empuje por un margen enorme. Las naves espaciales Star Trek impulsadas por EM Drives podrían alcanzar el 60% de la velocidad de la luz después de unos años de empuje constante. La física detrás del EM Drive es tan revolucionaria que faltan años para la versión superconductora y el EM Drive no se limitaría a las exploraciones espaciales. Roger lo dice mejor: “Los EM Drives superconductores serán ‘lo suficientemente potentes como para levantar un automóvil grande’ (bajo la gravedad de la Tierra)”.

3. LHC

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), uno de los proyectos científicos experimentales completados más costosos de la historia ha traído el descubrimiento del bosón de Higgs. Como resultado del descubrimiento del bosón de Higgs, se otorgó el premio Noble de física a Peter Higgs y Francois Englert y ha traído cierto cierre al modelo estándar en física de partículas. Se están realizando múltiples experimentos en el LHC para cerrar la brecha entre el mundo de la mecánica cuántica y el mundo de la relatividad general. El papel de la superconductividad para el acelerador de partículas ha sido crucial para el éxito del LHC. Para que el LHC acelere protones cerca de la velocidad de la luz, se necesitan campos magnéticos fuertes y un entorno vacío para mantener los protones en su trayectoria. Se necesitan altos niveles de corriente eléctrica para acelerar los protones a altas velocidades y las bobinas superconductoras permiten que fluyan las corrientes eléctricas. sin energía adicional y resistencia cero.

En la próxima década, China propone construir un país mucho más grande. acelerador de partículas que el LHC; más de 54 km de diámetro en comparación con los 17 km de diámetro del LHC. El papel de los ‘destructores de átomos’ jugará un papel importante en nuestra comprensión del universo observable. Los aceleradores de partículas son capaces de producir antimateria, a un costo actual de $ 62,5 billones por gramo, y quizás el costo de la antimateria seguirá la Ley de Moros en el próximo medio siglo para permitir el uso práctico de la antimateria para numerosas aplicaciones.

2. Cables de alimentación HTS

Actualmente, casi toda la transmisión de corriente eléctrica se realiza a través de cables de cobre. Solo en EE. UU., El 6% de la electricidad se pierde en la transmisión según el EIA. Ese 6% equivale a decenas de miles de millones de dólares «tirados por el inodoro» debido a la mala transmisión de la electricidad. El caso es mucho peor para países en desarrollo como India. En 2000, India informó 30% de pérdida de corriente eléctrica en transición a través de sus líneas de servicios públicos, pero posteriormente ha realizado mejoras y ha aumentado la eficiencia de transmisión de electricidad al 18%. Una forma de transmisión mucho más eficiente es mediante el uso de Cables de alimentación HTS , que proporciona un 0% de pérdida de corriente eléctrica durante la transmisión. Los superconductores de alta temperatura, como HTS Powercables, utilizan criógenos mucho más baratos como el nitrógeno líquido (el nitrógeno es el 78% de la atmósfera terrestre). Un galón de nitrógeno líquido es 4 veces más barato que un galón de leche. Los cables de alimentación HTS se han vuelto económicamente viables.

Los cables de alimentación HTS también requieren mucho menos material que el alambre de cobre para transmitir la misma cantidad de corriente. En los EE. UU., GAMA tiene varios proyectos de cables de alimentación HTS en todo el país para aumentar la eficiencia de las redes, reducir la huella de carbono y ahorrar dinero. El caso de que los cables de alimentación HTS se adopten en todo el mundo es sólido. Alemania ha probado el mundo la línea de cable de alimentación HTS más larga de 1 km y ha funcionado sin ningún problema. La noción más alucinante en torno a los cables de alimentación HTS, combinada con las tecnologías de transporte de tubos evacuados (ET3), es su capacidad para almacenar más de 15 TWh (teravatios-hora) de energía a escala global.

1. Viajes espaciales en la Tierra

El futuro del transporte está a punto de convertirse en una ‘red mundial física’ de tubos evacuados (ET) a través de ET3 (Tecnologías de transporte de tubos de vacío). El caso del transporte por tubo había llegado a su punto de inflexión cuando Elon Musk se reunió con el equipo de ET3 2 semanas antes de que hiciera su Hyperloop anuncio hace 3 años. ET3 lleva 25 años en desarrollo. La primera patente de ET3 fue en 1999 y desde entonces se han desarrollado docenas más.

ET3 implica una serie de factores: evacuar tubos de aire de 1,5 de diámetro a través de bombas de vacío, motores eléctricos lineales y, lo más importante, superconductores HTS e imanes permanentes. Las cápsulas del tamaño de un automóvil ingresan a los tubos de vacío a través de esclusas de aire y cada cápsula contiene un criostato que enfría el material HTS en cada cápsula. Unos pocos galones de nitrógeno líquido podrían mantener levitada una cápsula de ET3 durante 4 horas.

Mucha atención ha atraído al Hyperloop, pero ET3 ha pasado por 15 años de I + D y está listo para ser construido ahora mismo. ET3 también pasa Viaje espacial en la tierra porque trae ‘condiciones similares al espacio a la tierra’ (por ejemplo, un ambiente evacuado es un vacío con solo unas pocas partículas por millón; como el espacio exterior). La implicación de Transporte por tubo de vacío (ETT) a escala global hará que el mundo esté cada vez más conectado. Las cápsulas ETT (800 libras por cada una) que transportan alimentos, desechos, aceite, carga, datos, personas, energía, etc. podrán viajar a más de 400 mph en las redes de tubos evacuados de Personal Rapid Transit (PRT) locales, mientras que las rutas internacionales podrían alcanzar las 4,000 mph . Una vez que se implemente el viaje espacial en la Tierra, tendrá un impacto de gran alcance en la economía mundial y literalmente duplicará el nivel de vida para todos.

Por Colin Hicks