Los aceleradores de partículas que permiten la física de alta energía y sirven a muchos campos de la ciencia, como la investigación de materiales, médica y de fusión, son impulsados ​​por imanes superconductores que son, en pocas palabras, bastante delicados.

Los superconductores son una clase especial de materiales que, cuando se enfrían por debajo de cierta temperatura, transportan grandes corrientes eléctricas sin resistencia. Si dispones el material en bobinas, la corriente que pasa a través de ellas producirá fuertes campos magnéticos, almacenando efectivamente la energía potencial de los electrones en movimiento en forma de campo magnético.

Pero si se calientan demasiado (y por calor nos referimos a sólo unos pocos grados por encima de -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin), o la temperatura del helio líquido), pueden recuperar repentinamente su resistencia eléctrica y disipar la energía del campo magnético. en un rápido estallido de calor.

Un tipo más nuevo de superconductor, conocido como superconductores de alta temperatura (HTS), está a punto de marcar el comienzo de otra revolución para la ciencia y la tecnología. Estos superconductores tienen el potencial de producir campos magnéticos aún más altos mientras operan a temperaturas más fáciles de mantener que los imanes superconductores tradicionales.

En los nuevos materiales HTS, estos eventos de calentamiento no deseados, conocidos como "enfriamiento", son particularmente costosos, ya que pueden destruir el imán, dañar los componentes cercanos y agotar volúmenes significativos de los preciosos refrigerantes líquidos utilizados para enfriar el imán. Debido a sus poderosas propiedades, estos imanes son un tema candente de investigación y desarrollo actualmente, pero protegerlos de eventos destructivos es un obstáculo importante para su amplia aplicación.

La mejor solución sería diseñar imanes HTS que no se apaguen en primer lugar.

En eso están trabajando los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab).

Maxim Marchevsky y Soren Prestemon de la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada (ATAP) han desarrollado una estrategia para identificar las condiciones bajo las cuales los imanes HTS pueden funcionar de forma segura sin el riesgo de que una acumulación repentina de calor provoque que el imán falle.

"Esto es algo parecido a diseñar un avión para permitir un aterrizaje seguro en caso de falla del motor, en lugar de diseñar el avión para sobrevivir a un accidente", dijo Prestemon, subdirector de tecnología de la División ATAP. Su trabajo fue publicado recientemente en Superconductor Science and Technology. .

Debido a que los imanes HTS pueden tolerar una mayor densidad de corriente eléctrica y un rango más amplio de temperaturas sin dejar de actuar como superconductores, son menos propensos a apagarse que sus homólogos de baja temperatura. Sin embargo, detectar un apagado que se aproxima es más difícil en los imanes HTS porque las propiedades superconductoras se desactivan en zonas muy pequeñas del material.

Esto significa que la enorme energía magnética de la bobina se convierte en calor en un área pequeña, lo que hace que la temperatura aumente rápidamente a extremos en esa ubicación.

Esta pérdida de superconductividad generalmente es causada por una corriente que excede la capacidad del superconductor, por ejemplo, debido a imperfecciones en la estructura del material o por un aumento de calor causado por un mal funcionamiento del sistema de enfriamiento o un impacto en el imán por un movimiento rápido errante. partículas del acelerador o reactor de fusión. De cualquier manera, la extinción resultante es más difícil de monitorear y puede llegar al punto sin retorno más rápido de lo que se pueden activar los sistemas de mitigación existentes.

Afortunadamente, varias décadas de investigación y desarrollo de HTS han revelado que estos materiales pueden tolerar una pequeña acumulación de calor pero permanecen en modo superconductor. Utilizando este conocimiento, Marchevsky y Prestemon se dieron cuenta de que podían calcular una ventana de parámetros operativos en los que el conductor HTS funcionará sin caer fuera de control y convertirse en un apagado.

"Debido a esto, podemos abordar el problema de manera diferente. Podemos buscar una señal de calor en algún lugar del imán, y si lo detectamos lo suficientemente temprano, podemos hacer funcionar la corriente de manera segura sin apagar el imán", dijo Marchevsky. , físico del personal de ATAP.

El trabajo teórico de los científicos fue validado con experimentos utilizando muestras en forma de cinta de material Bi-2223 HTS (un compuesto de bismuto, estroncio, calcio, cobre y oxígeno) a las que se les suministró alta corriente en un entorno donde se podían producir fluctuaciones mínimas de temperatura. detectado y comparado con las predicciones numéricas.

El siguiente paso será probar su enfoque en bobinas reales enrolladas con material conductor HTS para replicar la forma que adoptarían dentro de aceleradores de partículas y dispositivos como máquinas de resonancia magnética.

Para detectar con éxito el estado de preextinción en estas bobinas, los científicos planean utilizar sistemas de monitoreo de temperatura altamente sensibles desarrollados por ellos mismos y sus colegas en ATAP, un grupo con profunda experiencia en ciencia fundamental y aplicada de imanes de aceleradores.

"Habrá algunos desafíos porque necesitamos mediciones distribuidas de la temperatura, pero eso es algo en lo que hemos estado trabajando mucho en los últimos años", dijo Marchevsky. Observó que los sistemas tradicionales de detección de enfriamiento para imanes de baja temperatura monitorean la resistencia a través del imán, lo que no funciona bien para los imanes HTS. "Se están investigando e integrando varias técnicas nuevas en nuestros prototipos de imanes reales."

Sus técnicas incluyen sistemas de sensores basados ​​en ultrasonidos, radiofrecuencia y fibra óptica. Este último enfoque es el principal candidato para su uso en reactores experimentales de energía de fusión de plasma, que son una de las primeras aplicaciones del mundo real de los imanes HTS en el horizonte. Los reactores de fusión de plasma necesitan imanes potentes para confinar mezclas de partículas cargadas sobrecalentadas en un espacio pequeño, y los imanes HTS parecen prometedores para permitir un gran avance en este campo.

Marchevsky y Prestemon esperan que los sistemas de temperatura distribuidos que monitorean todo el imán puedan alertar a los operadores si alguna región se acerca al extremo superior de la ventana de temperatura segura. Entonces, se puede reducir la corriente entregada al imán y evitar el enfriamiento.

Si tiene éxito, el enfoque podría permitir la adopción generalizada de imanes HTS, lo que en última instancia conduciría a campos magnéticos mucho más altos y sistemas magnéticos que son más baratos de mantener que sus homólogos de baja temperatura. Estos ahorros ayudarían a reducir los costos de toda la investigación impulsada por aceleradores y ayudarían a alcanzar el objetivo de la energía de fusión.

"La ciencia fundamental y el diagnóstico de precisión combinados en este trabajo ejemplifican el conjunto incomparable de capacidades de 'mesoescala a imán' que el laboratorio aporta al impulso de los superconductores de alta temperatura como tecnologías transformadoras en aceleradores, fusión y aplicaciones", dijo Cameron Geddes, ATAP. Director de División.