Um protótipo de bobina supercondutora abre caminho para eletroímãs mais eficientes em termos de energia

Como podemos avançar em pesquisas de ponta, mas consumir menos energia? Os cientistas do CERN estão trabalhando em soluções inovadoras, e a supercondutividade é um dos ingredientes principais.

Uma equipe testou recentemente com sucesso uma bobina magnética demonstradora que reduzirá significativamente o consumo de energia de certos experimentos. A bobina é feita de diboreto de magnésio (MgB₂) cabos supercondutores, que são usados ​​na linha de transferência elétrica de alta intensidade que alimentará o LHC de Alta Luminosidade (HL-LHC), o sucessor do LHC. Ele é montado em um jugo magnético de aço de baixo carbono que segura e concentra as linhas de campo, em uma configuração chamada superférrica.

Este ímã inovador é destinado ao experimento SHiP, que é projetado para detectar partículas que interagem muito fracamente e está programado para ser comissionado em 2031. Um dos dois ímãs do detector deve produzir um campo de aproximadamente 0,5 tesla. O campo é de intensidade moderada, mas deve ser produzido em um volume enorme de 6 metros de altura e 4 metros de largura e profundidade. Um eletroímã resistivo de condução normal teria uma potência elétrica de mais de um megawatt e, como teria que operar continuamente, seu consumo de energia seria alto.

Daí a ideia de usar um supercondutor que conduz eletricidade sem resistência e, portanto, sem perda de energia por aquecimento. Este é o princípio por trás dos ímãs do LHC. No entanto, eles são baseados em uma liga de nióbio-titânio, o que requer que sejam resfriados a uma temperatura muito baixa de -271 °C (2 Kelvin) usando hélio superfluido produzido por uma planta criogênica complexa.

Os cabos de diboreto de magnésio têm a vantagem de serem supercondutores a -253 °C (20 Kelvin). Eles podem ser resfriados usando hélio gasoso e, portanto, requerem um sistema criogênico menos complexo, oferecendo assim melhor eficiência termodinâmica. Eles não poderiam ser usados ​​para ímãs aceleradores como os do LHC, que geram campos de cerca de 8 tesla. No entanto, eles são adequados para um grande ímã com um campo moderado como o do SHiP.

Construída em setembro passado, a bobina demonstradora de 1 metro de comprimento acaba de passar com sucesso por testes operacionais nos quais foi resfriada por hélio gasoso a temperaturas de 20 a 30 Kelvin. Embora muitas etapas ainda precisem ser concluídas antes que o ímã SHiP esteja pronto, esses são testes promissores que abrem perspectivas para essa tecnologia tanto no CERN quanto na indústria.

“Um ímã assim poderia consumir até 100 vezes menos energia elétrica do que um ímã superférrico comum”, diz Arnaud Devred, que está realizando o projeto com uma equipe do grupo Magnets do CERN. “A longo prazo, poderíamos, por exemplo, considerar a adaptação de certos ímãs com MgB₂ bobinas para reduzir seu consumo de eletricidade. Este projeto, portanto, representa uma ótima maneira de mostrar os desenvolvimentos tecnológicos para o HL-LHC.”

Os links supercondutores do HL-LHC estão atraindo muito interesse porque eles usam supercondutores de alta temperatura, cujo uso em larga escala permitiria economias significativas de energia em muitas áreas, incluindo em nossas vidas cotidianas. Graças a esse desenvolvimento altamente inovador, o escopo dessa tecnologia pode ser estendido para incluir eletroímãs. O ímã do espectrômetro SHiP pode ser uma das primeiras aplicações.