Nossa energia futura pode depender de fios supercondutores de alta temperatura (HTS). A capacidade dessa tecnologia de transportar eletricidade sem resistência a temperaturas mais altas do que as exigidas pelos supercondutores tradicionais pode revolucionar a rede elétrica e até mesmo permitir a fusão nuclear comercial.

No entanto, essas aplicações em larga escala não acontecerão até que os fios HTS possam ser fabricados com uma relação preço-desempenho igual à do fio de cobre comum vendido em sua loja de ferragens local.

A pesquisa liderada pela New University at Buffalo está nos levando mais perto desse objetivo. Em um estudo publicado na Nature Communications, pesquisadores relatam que fabricaram o segmento de fio HTS de mais alto desempenho do mundo, ao mesmo tempo em que tornaram a métrica de preço-desempenho significativamente mais favorável.

Com base em óxido de bário e cobre de terras raras (REBCO), seus fios atingiram a maior densidade de corrente crítica e força de fixação — a quantidade de corrente elétrica transportada e a capacidade de fixar vórtices magnéticos, respectivamente — relatadas até o momento para todos os campos magnéticos e temperaturas de 5 kelvin a 77 kelvin.

Essa faixa de temperatura ainda é extremamente fria — de menos 451 graus a menos 321 graus Fahrenheit — mas é maior que o zero absoluto no qual os supercondutores tradicionais funcionam.

"Esses resultados ajudarão a orientar a indústria para otimizar ainda mais suas condições de deposição e fabricação para melhorar significativamente a métrica de preço-desempenho em condutores revestidos comerciais", diz o autor correspondente do estudo, Amit Goyal, Ph.D., Professor Distinto da SUNY e Professor de Inovação do SUNY Empire no Departamento de Engenharia Química e Biológica, dentro da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da UB. "Tornar a métrica de preço-desempenho mais favorável é necessário para realizar completamente as inúmeras aplicações de supercondutores em larga escala e previstas."

As aplicações dos fios HTS incluem geração de energia, como duplicação da energia gerada por geradores eólicos offshore; sistemas de armazenamento de energia magnética supercondutora em escala de rede; transmissão de energia, como transmissão de energia sem perdas em linhas de transmissão CC e CA de alta corrente; e eficiência energética na forma de transformadores supercondutores altamente eficientes, motores e limitadores de corrente de falha para a rede.

Apenas uma aplicação de nicho dos fios HTS — fusão nuclear comercial — tem o potencial para geração de energia limpa ilimitada. Só nos últimos anos, aproximadamente 20 empresas privadas foram fundadas globalmente para desenvolver fusão nuclear comercial, e bilhões de dólares foram investidos no desenvolvimento de fios HTS somente para essa aplicação.

Outras aplicações dos fios HTS incluem MRI de última geração para medicina, ressonância magnética nuclear (RMN) de última geração para descoberta de medicamentos e ímãs de alto campo para inúmeras aplicações físicas. Há também inúmeras aplicações de defesa, como no desenvolvimento de navios e aviões totalmente elétricos.

Atualmente, a maioria das empresas ao redor do mundo que fabricam fios HTS de alto desempenho e com quilômetros de extensão usam uma ou mais das inovações tecnológicas de plataforma desenvolvidas anteriormente por Goyal e sua equipe.

Isso inclui a tecnologia de substratos texturizados biaxialmente assistidos por rolamento (RABiTS), a tecnologia de deposição assistida por feixe de íons (IBAD) de MgO habilitada por LMOe e defeitos nanocolunares em espaçamentos nanoescalares por meio de tecnologia simultânea de separação de fases e automontagem orientada por deformação.

Densidade de corrente crítica e força de fixação recordes mundiais

No presente trabalho relatado na Nature Communications , o grupo de Goyal relata fios supercondutores de ultra-alto desempenho baseados em REBCO.

A 4,2 kelvin, os fios HTS transportavam 190 milhões de amperes por centímetro quadrado sem nenhum campo magnético externo, também conhecido como campo próprio, e 90 milhões de amperes por centímetro quadrado com um campo magnético de 7 tesla.

A uma temperatura mais alta de 20 kelvin — a temperatura de aplicação prevista para fusão nuclear comercial — os fios ainda poderiam transportar mais de 150 milhões de amperes por centímetro quadrado de campo próprio e mais de 60 milhões de amperes por centímetro quadrado a 7 tesla.

Em termos de corrente crítica, isso corresponde a um segmento de fio de 4 milímetros de largura a 4,2 kelvin tendo uma supercorrente de 1.500 amps em autocampo e 700 amps em 7 tesla. A 20 Kelvin, é 1.200 amps em autocampo e 500 amps em 7 tesla.

Vale ressaltar que o filme HTS da equipe, apesar de ter apenas 0,2 mícron de espessura, pode transportar uma corrente comparável à dos fios supercondutores comerciais com filme HTS quase 10 vezes mais espesso.

Quanto à força de fixação, os fios mostraram uma forte capacidade de manter vórtices magnéticos fixados ou no lugar, com forças de cerca de 6,4 teranewtons por metro cúbico a 4,2 kelvin e cerca de 4,2 teranewtons por metro cúbico a 20 kelvin, ambos sob um campo magnético de 7 tesla .

Esses são os maiores valores de densidade de corrente crítica e força de fixação relatados até o momento para todos os campos magnéticos e temperaturas operacionais de 5 kelvin a 77 kelvin.

"Esses resultados demonstram que melhorias significativas de desempenho ainda são possíveis e, portanto, a redução associada no custo que poderia ser potencialmente obtida em fios HTS comerciais otimizados", diz Goyal.

O segmento de fio HTS foi fabricado em substratos usando a tecnologia (IBAD) MgO e usando os defeitos nanocolunares por meio de separação de fase simultânea e tecnologia de automontagem acionada por tensão. A tecnologia de automontagem permite a incorporação em nanocolunas isolantes ou não supercondutoras em espaçamentos em nanoescala dentro do supercondutor. Esses nanodefeitos podem fixar os vórtices supercondutores, permitindo supercorrentes mais altas.

"A alta densidade de corrente crítica foi possível graças a uma combinação de efeitos de fixação de dopagem de terras raras, defeitos pontuais de oxigênio e nanocolunas isolantes de zirconato de bário e suas morfologias", diz Goyal.

"O filme HTS foi feito usando um sistema avançado de deposição de laser pulsado por meio de controle cuidadoso dos parâmetros de deposição", acrescenta Rohit Kumar, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório da UB para Crescimento Heteroepitaxial de Materiais e Dispositivos Funcionais, liderado por Goyal.

Na deposição de laser pulsado, um feixe de laser incide sobre um material alvo e remove o material que é depositado como uma película em um substrato adequadamente posicionado.

"Também conduzimos microscopia de resolução atômica usando os microscópios mais avançados no Centro Canadense de Microscopia Eletrônica da Universidade McMaster para caracterização de defeitos nanocolunares e em escala atômica e também conduzimos algumas medições de propriedades supercondutoras na Università di Salerno, na Itália", diz Goyal.