Jhon Ender Duque V CRF

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
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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
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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