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§19. Los superconductores en filas

El empleo de los superconductores en los equipos energéticos (transformadores, generadores, motores y líneas de transmisión) tiene dos aspectos positivos, por lo menos. Primero, las pérdidas de energía en los conductores se reducen a cero y segundo, un aumento sustancial de la densidad de la corriente y de la intensidad del campo magnético permite reducir las dimensiones de los equipos.

Se fabricaron ya y pasaron las pruebas varias decenas de transformadores superconductores (el primero de ellos fue construido en 1961 por el norteamericano McFee; el transformador funcionaba al nivel de 15 kVA). Existen proyectos de transformadores superconductores con potencias hasta 1 millón de kVA. Teniendo potencias suficientemente grandes, los transformadores superconductores pesarán un 40-50% menos que los corrientes, siendo las pérdidas más o menos iguales a las de los transformadores comunes (en estos cálculos se tuvo también en cuenta la potencia del condensador).

He aquí algunos datos del proyecto del transformador superconductor trifásico acorazado de 120 mil kVA destinado a elevar la tensión de 13,2 a 115 kV. Los devanados del transformador son de hoja de niobio de 0,0025 cm de espesor; el aislamiento se realiza por medio de papel impregnado cuyo espesor es de 1 cm; los terminales del devanado están hechos de niobio recocido y protegidos contra la acción del intenso campo magnético por pantallas de niobio. El transformador pesa 4 t y su rendimiento es de 99,98% contra los 99,5% del transformador común. Cada par de devanados está colocado en un crióstato toroidal (por consiguiente, en total, hay tres crióstatos) y el circuito magnético funciona a la temperatura ambiente habitual. El transformador es un cilindro de 2 m de diámetro y de 5 m de largo, es decir, sus dimensiones son sustancialmente inferiores a las de un transformador corriente.

Los transformadores superconductores ideados hasta el presente pueden dividirse en cuatro grupos grandes.

• La clase a: transformador de construcción corriente con devanados hechos de un superconductor de 2 ^do tipo o de una película superconductora y, por lo tanto, deben enfriarse hasta la temperatura de 4,2°K. El circuito magnético se halla a temperatura ambiente para que las pérdidas en él no creen cargas adicionales al refrigerador que elimina las pérdidas provocadas por la corriente alterna y procedentes del exterior.

• La clase b difiere de la clase a, en que las capas de los devanados de alta y baja tensiones se alteran a fin de disminuir la dispersión. En este caso los campos magnéticos de los devanados primario y secundario se compensan mutuamente y el superconductor se halla en un campo magnético de dispersión muy débil, lo que permite utilizar como material para devanados a los superconductores de 1 ^er tipo (por ejemplo, el plomo) en los cuales la corriente alterna provoca menos pérdidas que en los superconductores de 2 ^do tipo.

• La clase c se distingue por la falta de núcleo ferromagnético y, por consiguiente, tampoco se registran pérdidas en el acero para transformadores. Por lo común, en los transformadores sin núcleo surgen fuertes flujos de dispersión y el cos j disminuye. Para evitarlo, en la clase b están previstas pantallas diamagnéticas superconductoras, que canalizan el flujo en la dirección necesaria.

• En la clase d (esa clase de transformadores no tiene núcleo ferromagnético) para disminuir la dispersión, colocan los devanados uno dentro del otro, enrollando ambos sobre armazones toroidales no magnéticas.

Sin embargo, no se logra evitar por completo la dispersión en los transformadores sin núcleo, debido a lo cual el cos j de los transformadores de las clases e y d es bastante bajo (0,4-0,5).

Las pérdidas en los devanados de los transformadores superconductores de 30 - 100 mil kVA son del orden de 30 W, lo que impone la necesidad de utilizar los condensadores con potencia de 15-30 kw.

Los transformadores superconductores tienen deficiencias sustanciales, que en la actualidad impiden empezar a construir tales transformadores, por ejemplo, de 1 millón de kVA. Esas deficiencias se deben a la necesidad de proteger el transformador superconductor contra la pérdida de la superconductividad en caso de sobrecargas, cortocircuitos y sobrecalentamientos, cuando el campo magnético, la corriente o la temperatura puedan llegar a valores críticos.

Si en este caso el transformador no se destruye, se necesitarán varias horas para volver a enfriarlo y restablecer la superconductividad. Para las grandes redes eléctricas, semejante interrupción en el suministro de energía eléctrica es inadmisible. Por eso, antes de hablar de la fabricación en serie de transformadores superconductores, es necesario elaborar las medidas de protección contra los regímenes de avería y asegurar el suministro de la energía eléctrica a los consumidores durante las paradas de tal transformador.

Los éxitos logrados en osa esfera permiten suponer que el problema de la protección de los transformadores superconductores se solucione en un futuro próximo y éstos ocupen su lugar en las centrales eléctricas.

En 1963, en la URSS se fabricó la primera máquina eléctrica de corriente continua con devanado de excitación superconductor. Consta de dos partes: la de temperatura baja, refrigerada hasta 4,2°K (temperatura de ebullición del helio líquido) y la de temperatura alta, que se halla a temperatura ambiente. La primera parte se compone de un frasco metálico de Dewar de forma cilíndrica, cuyo diámetro es de 41 mm, con paredes dobles de cobre entre las cuales se mantiene alto vacío. El espesor total del aislamiento térmico es de 5 mm. Dentro del frasco de Dewar se halla una bobina cortocircuitada de aleación de niobio y estaño, bañada por el helio líquido. El eje magnético de la bobina es perpendicular al eje del frasco de Dewar.

La bobina excitadora superconductora de esta máquina estaba hecha de aleación Nb ₃ Sn y tenía 400 espiras. En esta bobina, por medio de un imán que creaba un campo de 20 mil Oe, estaba "congelado" un flujo magnético constante. La congelación se realizaba de modo siguiente: el frasco de Dewar se colocaba entre los polos de un potente electroimán de manera que el eje de la bobina coincidiera con la dirección de las líneas de fuerza en el entrehierro. En el frasco no había helio. De modo que la bobina tenía la temperatura de la camisa de nitrógeno del frasco de Dewar (77°K) y no era superconductora (la temperatura de transición T _c para la aleación Nb ₃ Sn es de 18°K). Luego el frasco de Dewar con la bobina se llena de helio (la temperatura de ebullición es de 4,2°K) y ésta se convierte en superconductora. Si se desconecta el electroimán, con arreglo a la ley de Lenz, en la bobina superconductora se inducirá corriente que mantendrá constante el flujo magnético, adherido a la bobina. De esta manera, la propia bobina superconductora se convierte en un electroimán.

El flujo magnético de la bobina que circula por el circuito magnético atraviesa los conductores del devanado del rotor giratorio. La toma de tensión del rotor se efectúa por medio de escobillas corrientes.

Por cuanto el volumen de la máquina eléctrica, en la primera aproximación, es inversamente proporcional a la intensidad del campo magnético de la máquina, el aumento de la intensidad del campo permitirá reducir las dimensiones de la máquina. Disminuirá bruscamente el equipamiento del circuito de excitación. El hecho de que en los superconductores no existen pérdidas óhmicas, permitirá aumentar el rendimiento de la máquina. Además, con arreglo a la ley de conservación del flujo adherido al circuito superconductor cerrado, en las máquinas eléctricas de superconductores la tensión o la velocidad de rotación se autorregularán y durante el funcionamiento de la máquina permanecerán constantes, puesto que el flujo no varía. Si hace falta regular la tensión y la velocidad, en el circuito de excitación superconductor se puede introducir, además, una zona no superconductora.

Por cuanto los campos magnéticos que pueden crearse por medio de superconductores superan la inducción de saturación del acero, surge la posibilidad de excluir de las máquinas superconductoras el acero como material magnético, lo que conducirá al aumento mayor aún del rendimiento y a la reducción del peso.

En publicaciones extranjeras se describe el proyecto de un turbogenerador de 600 mil kw con devanado de excitación superconductor. El devanado de excitación ubicado en el estator crea un campo con intensidad de 100 mil Oe. A temperatura normal, en ese campo gira el rotor del cual, por medio de baños de mercurio, se toma tensión. La densidad de la corriente en el rotor es de 0,5 A/mm ² , la tensión inducida, 1 kV por metro del devanado y las pérdidas en el rotor, 60 kw.

En el rotor no se utiliza acero como circuito magnético, lo que permite ubicar sobre el rotor un devanado de cobre adicional. El rotor tiene 2 m de largo y 1 m de diámetro (la longitud del rotor de potentes turbogeneradores llega a 10-12 m y el diámetro, a 1,2 m). La potencia del condensador de helio, necesaria para mantener el devanado de excitación de ese generador a temperatura de 4,2°K, es despreciablemente baja puesto que en el superconductor no hay pérdidas por efecto de Joule y el helio se consume únicamente para evacuar el calor de flujos térmicos provocado por la imperfección del aislamiento térmico. El rendimiento del turbogenerador es de 99,9%.

El proyecto descrito no es tan fantástico. Los solenoides superconductores con diámetro de 2 m funcionan ya en laboratorios científicos. Se ha logrado ya un campo de 140 mil Oe, es cierto que no en un volumen tan grande. Se está resolviendo exitosamente también el problema de toma de potencia de la parte giratoria de la máquina. Se han construido ya máquinas eléctricas superconductoras con potencia de miles de kilovatios.

La reducción de las dimensiones de potentes máquinas eléctricas es un problema importante.

Los ferroviarios miran ya de reojo a los enormes estatores y rotores que les ofrecen transportar. El gálibo ferroviario es muy riguroso: todos los objetos que se transportan por ferrocarril no deben rebasar ciertas dimensiones, de lo contrario habrá que ensanchar los túneles, elevar los puentes, etc. Las potentes máquinas eléctricas con gran dificultad caben en el marco del gálibo ferroviario. ¿Y qué será si se necesitarán máquinas más potentes aún?

Por otra parte, las dimensiones máximas de las máquinas dependen del tamaño de las piezas forjadas que puede producir la industria metalúrgica. Así, el rotor de un turbogenerador de 12 m de largo y hasta 1,2 m de diámetro se hace de una sola pieza forjada. Es muy difícil forjar piezas de gran tamaño. ¿Cómo aumentar entonces la potencia unitaria de la máquina?

Estas consideraciones evidencian que ha madurado la necesidad de crear potentes máquinas con excitación superconductora.

En los últimos años se está haciendo cada vez más real el viejo sueño con líneas de transporte de energía superconductoras. La demanda de energía eléctrica, siempre creciente, hace muy atrayente la idea de transmitir gran potencia a distancias largas. Los científicos soviéticos han demostrado convincentemente que las líneas de corriente continua tienen perspectiva. Se ha puesto en explotación y funciona con éxito la primera en el mundo línea Volgogrado - Donbás, de corriente continua con tensión de 800 mil V.

Las pérdidas por corriente alterna en los superconductores privan, por lo visto, de perspectiva, para un futuro inmediato, a las líneas de corriente alterna superconductoras. Unos cálculos sencillos muestran que para explotar una línea de corriente alterna superconductora se necesitará una potencia mucho mayor de la que se transmite.

En la actualidad se estudia intensamente la posibilidad de disminuir las pérdidas por corriente alterna en los superconductores. Es posible que los materiales sintéticos superconductores, empaquetados a presión en vidrio poroso o algún otro material poroso, hagan algún día factible transmitir energía eléctrica por línea de corriente alterna superconductora. Desde luego, la producción de los superconductores sintéticos eficientes tiene sus dificultades.

Las impurezas, la elaboración defectuosa, las tensiones mecánicas y los gases adsorbidos por la superficie empeoran sumamente sus propiedades.

En lo que se refiere a las líneas de corriente continua superconductoras, las perspectivas son más alentadoras. Los cálculos muestran que por medio de superconductores de 2 ^do tipo se podrá, por ejemplo, con un cable de espesor de la mano transmitir una potencia igual a la de todos los consumidores de energía de EE.UU. El coste de las líneas superconductoras será, aproximadamente, el mismo que el de las líneas aéreas de transmisión comunes (el coste del superconductor, teniendo en cuenta su alto valor de la densidad crítica de corriente en comparación con la densidad económicamente conveniente en los cables de cobre o de aluminio, no es muy elevado) y algo más bajo del de las líneas de cables.

He aquí cómo se proyecta llevar a la práctica las líneas superconductoras: entre los puntos finales de la transmisión se tiende en la tierra una tubería con nitrógeno líquido. Dentro de ésta se coloca otra tubería con helio líquido, en la cual se fija la línea superconductora. El helio y el nitrógeno corren por las tuberías a costa de la diferencia de presiones de varias atmósferas que se crea entre los puntos inicial y final. De esta manera, sólo en los extremos de la línea habrá instalaciones de liquidación y bombeo.

Citemos algunos datos del cálculo de una línea de transmisión superconductora de 10 millones de kw (la potencia de la central hidroeléctrica Dnieprogués es de 600 mil kw). Esta potencia se transmitirá por dos conductores colocados en distintos conductos. La tensión entre los conductores es de 150 mil V, la corriente en los conductores, 67 mil A. Como superconductor sirve una aleación, cuyo campo crítico a temperatura de 4,2°K y densidad de la corriente de 1000 A/mm ² , es igual a 10 mil Oe. Al suponer que el coeficiente de seguridad es de 2,5, resulta que el campo en el superconductor no debe superar 4 mil Oe. El radio del conductor se determina con arreglo a la ley de corriente total

Para cada metro de la línea se gastarán 1,14 kg de aleación superconductora.

Entre los conductores de corriente y la tierra deben colocarse aislamientos eléctrico y térmico. El nivel de carga del refrigerador de helio disminuye considerablemente al utilizar un con objeto con nitrógeno líquido, que efectúa el apantallamiento térmico.

Otro tipo de aislamiento térmico apropiado es únicamente el alto vacío en el cual están colocadas numerosas pantallas reflectores. Pero el sistema a vacío no garantiza un aislamiento eléctrico seguro, mientras que la capacidad eléctrica de numerosas pantallas puede ser muy grande, lo que es indeseable por consideraciones de los fenómenos transitorios y de la seguridad. Por eso las paredes exteriores del aislamiento por vacío deben tener igual potencial eléctrico.

En el sistema de nitrógeno líquido, este último puede utilizarse simultáneamente como material dieléctrico. El conducto de nitrógeno, aislado por medio de aislamiento por vacío con pantallas tiene el potencial de la tierra y contiene nitrógeno a presión de 12-15 atm. El conducto de helio se mantiene dentro del conducto de nitrógeno por medio de montantes dieléctricos de mylar o de teflón (las propiedades dieléctricas de la mayor parte de los aisladores se mejoran a temperaturas bajas). El conducto de helio tiene aislamiento por vacío. La superficie interior del conducto de helio líquido está revestida de una capa superconductora.

El cálculo de las pérdidas de semejante línea, teniendo en cuenta las inevitables pérdidas en los extremos de la línea, donde el superconductor tendrá que salir a la superficie, muestra que son iguales a 1,2%. Es una cifra muy baja. Las pérdidas de las líneas de transmisión corrientes llegan a 1,5-2%.

Por último, es menester señalar que la transmisión de potencia mediante superconductores a tensiones más bajas y corrientes más intensas puede presentar interés en el caso de que sea imposible tender líneas aéreas (lugares muy poblados o comunicaciones de fuerza subacuáticas).

Unas perspectivas completamente nuevas se han abierto ahora también ante los diseñadores de micromáquinas de la energética pequeña. Las micromáquinas superconductoras construidas hasta el presente no se parecen en absoluto a las corrientes.

Figura 32. El diamagnetismo de los superconductores se puede usar para crear cojinetes sin rozamiento, en los cuales el eje no toca los apoyos, sino que las líneas de fuerza del campo magnético lo mantienen en suspenso.

El campo magnético creado por una bobina de alambre superconductor, puede retener suspendido un disco de niobio a costa de su diamagnetismo. Los experimentos muestran que 1 cm ² de superficie "suspendida" puede retener un peso de 300 g. Empleando ese procedimiento, fueron suspendidos ya objetos bastante considerables. Fue descrito, por ejemplo, un cilindro de plomo de 5 kilogramos que planeaba por encima del devanado.

El principio de "espejo magnético" puede aprovecharse para fabricar cojinetes que permitan al eje planear en el vacío sin estar en contacto con el apoyo. Numerosos modelos de semejantes cojinetes han sido construidos y probados ya.

Ofrecen interés las máquinas eléctricas construidas en uno de los laboratorios estadounidenses, en las cuales trabajan a base del principio de "espejo magnético" no sólo los cojinetes, sino que en este principio se basa también la interacción electromagnética del estator y el rotor.

Si al rotor de una máquina eléctrica se le da la forma de un vaso hueco de superconductor, volcándolo luego e introduciendo en él un imán, el vaso "emerge" sobre las líneas de fuerza magnéticas. Coloquemos ahora este vaso en el estator de una máquina eléctrica trifásica. El campo magnético giratorio de tal estator puede sustituirse equivalentemente por dos imancitos situados en el mismo eje, que giren por la circunferencia del estator. Cada uno de esos imancitos repele el rotor. A costa de esa repulsión, naturalmente, no se crea momento de rotación alguno, puesto que la dirección de la fuerza de repulsión pasa por el eje de rotación del vaso. Si el vaso no es redondo, sino por ejemplo, hexaedro, surge el momento de rotación que provoca el giro del vaso a velocidad del campo giratorio, puesto que a medida de aumentarse la frecuencia de la corriente de alimentación, la velocidad crecerá.

En EE.UU. se construyó un modelo de motor que funcionaba a base de ese principio, su velocidad de rotación llegaba a 20 mil r.p.m. y se limitaba a esa cifra únicamente porque a una velocidad mayor el vaso de niobio de 26 g podía haber sido desgarrado por los esfuerzos centrífugos. En esta máquina, para crear el campo giratorio, se utilizaron impulsos de corriente continua que corrían por el estator o las tensiones de dos fases, defasadas a cierto ángulo.

La deficiencia de las máquinas eléctricas de semejante construcción consiste en la complejidad de su acoplamiento mecánico con los dispositivos que se hallan a temperatura normal. El eje que une el motor, que funciona a temperatura de 4,2°K, con el dispositivo que se halla a temperatura ambiente (300°K), provocaría una ebullición rápida del helio a costa de la transferencia de calor. Por eso, el campo de aplicación de semejantes máquinas es todavía limitado: se emplea en el accionamiento de dispositivos de temperaturas bajas de las bombas, así como en giroscopios de gran precisión superconductores.

Analicemos las perspectivas de aplicación de la superconductividad en una esfera completamente nueva de la energética: los generadores magnetohidrodinámicos de energía eléctrica.

El principio de los generadores MHD (la sigla de los generadores magnetohidrodinámicos) es conocido: en un medio conductor que se desplaza entre los polos del imán, de acuerdo a la ley de la inducción electromagnética de Faraday, se induce la fuerza electromotriz. Como medio conductor en los generadores MHD se utiliza el plasma con temperatura de 2000-3000°K. Teniendo en cuenta que la temperatura del vapor en las calderas y turbinas modernas no sobrepasa 700°C y el rendimiento de transformación de la energía térmica en la eléctrica es tanto mayor, cuanto más elevada es la temperatura del fluido de trabajo, es fácil demostrar que el rendimiento de una central eléctrica MHD será considerablemente mayor que el de una central común. El rendimiento de las centrales con generador magnetohidrodinámico puede alcanzar, teóricamente, el 70% (el rendimiento de las termocentrales corrientes no supera el 40%).

En realidad, el rendimiento de la central eléctrica MHD será considerablemente inferior, debido a que el propio generador MHD consume cierta potencia para alimentar el imán que crea el campo magnético necesario para el funcionamiento. Los cálculos muestran que para la central eléctrica MHD de 25 mil kw, la potencia que consume el imán sin núcleo es de 20 mil kw. El imán con núcleo consumirá una potencia menor, pero el gasto de material aumentará hasta 150 kg contra 1-5 kg por kilovatio en los turbogeneradores corrientes.

La potencia que consume el electroimán de una central eléctrica MHD de 500 mil kw se elevará a 60 mil kw, aproximadamente. Un consumo de energía tan grande es, por lo visto, inadmisible y los generadores MHD serán económicos sólo en el caso de que sus sistemas magnéticos lleguen a ser superconductores.

¿Pero acaso pueden utilizarse los superconductores que funcionen generalmente a temperatura de 4,2°K en una instalación, cuyo fluido de trabajo tiene la temperatura de 2500°K? ¿Es real eso?

Plenamente real. Los tipos modernos de aislamiento permiten separar 2500°K y 4,2°K con una pared de tan sólo 1,5-2 cm de espesor.

Es fácil imaginarse qué aspecto tendría el sistema magnético superconductor de un generador MHD. Dos arrollamientos superconductores están ubicados a los lados del canal con plasma, separado de los devanados por un termoaislamiento de capas múltiples. Los devanados se fijan en cajas portadoras de titanio y entre éstas se colocan espaciadores de titanio. Dicho sea de paso, estas cajas y espaciadores deben ser tremendamente resistentes, puesto que las fuerzas electrodinámicas en los devanados tienden a desgarrarlos y atraer mutuamente. Esas fuerzas son bastante grandes, por ejemplo, en un campo de 50 mil Oe, los elementos de la construcción estarán sometidos a una presión de 100 atm.

Por cuanto en el arrollamiento superconductor el calor no se desprende, el refrigerador necesario para el funcionamiento del sistema magnético superconductor tendrá que evacuar sólo el calor suministrado al crióstato con helio líquido a través del aislamiento térmico y los conductores de corriente. Las pérdidas por el suministro de corriente, prácticamente, pueden reducirse a cero, si se utilizan bobinas superconductoras cortocircuitadas que se alimentan de un transformador de corriente continua superconductor.

El condensador de helio que recuperará las pérdidas de helio, evaporado a causa de la afluencia de calor a través del aislamiento, debe producir, según los cálculos, unos 5-10 litros de helio líquido por hora. La industria fabrica tales condensadores que caben en un cuarto de tamaño mediano.

En la actualidad se están fabricando varios generadores MHD con devanados superconductores. Unos cuantos generadores, cierto que no grandes, han pasado ya las pruebas.

Hasta los últimos tiempos, para crear "botellas magnéticas" y devanados estabilizadores, en las investigaciones plásmicas se utiliza la técnica corriente de obtención de intensos campos por medio de arrollamientos de cobre, refrigerados por aire, agua o kerosene. Mas todos estos imanes, en los experimentos de gran escala deben ser muy voluminosos y consumir mucha energía. Los cálculos han mostrado que la energía necesaria para alimentar tales imanes superará la potencia de salida de los generadores termonucleares o, en el mejor de los casos, para ponerlos en marcha, se necesitará una potente central eléctrica especial.

Hoy en día pocos dudan que el único medio para resolver este problema consiste en utilizar bobinas superconductoras. En este caso la potencia necesaria para mantener el campo magnético será despreciablemente pequeña. Esa pequeña potencia se necesitará sólo para el funcionamiento del condensador de helio o del refrigerador.

Se ha construido ya una instalación para investigaciones termonucleares, cuya zona de trabajo tiene 20 cm de diámetro y 120 cm de largo; todos sus devanados están hechos de alambre superconductor de niobio y circonio (el 25% de circonio) con 0,25 mm de diámetro. El campo en el centro del solenoide es de 30 mil Oe.

Para la fabricación del solenoide se gastaron tan sólo 50 kg de alambre superconductor. El sistema superconductor puede funcionar a base del principio de anillo superconductor cerrado. Primero el sistema se alimenta de una red común de corriente alterna a través de un rectificador.

Para que el deterioro de una bobina no provoque la avería de todo el sistema, este último está dividido en 24 secciones, cada una de las cuales se alimenta por separado. La densidad de corriente en los devanados superconductores llega a 400 A/mm ² . El peso total del sistema asciende a 230 kg. El sistema consume 0,5 I/h de helio líquido. El condensador de helio de tal rendimiento puede caber en una mesa.

Es también un problema dificilísimo para los físicos la separación de isótopos de diversos elementos. Los isótopos, como se sabe, son átomos de un mismo elemento cuyos núcleos contienen igual número de protones, mas diferente número de neutrones. Por consiguiente, las masas de los núcleos de los isótopos son distintas, lo mismo que sus órbitas de desplazamiento en el campo magnético. Las trayectorias del movimiento de los núcleos más pesados están menos encorvadas, debido a lo cual los núcleos ligeros y pesados se desplazan en el campo magnético por órbitas diferentes. En un campo magnético intenso pueden incluso separarse isótopos muy similares. Sin embargo, semejante método no se aplicaba ampliamente porque para una separación de isótopos eficiente se necesitan enormes imanes. Las bobinas superconductoras pueden producir, literalmente, una revolución en esa rama de la industria atómica.

No está excluida la posibilidad de que los imanes superconductores provoquen una revolución técnica también en los aceleradores de partículas cargadas. Resulta que a medida del crecimiento de energías de las partículas que se obtienen en aceleradores, aumentan también las dimensiones de éstos. Los sincrofasotrones modernos pesan decenas de miles de toneladas y tienen cientos de metros de diámetro. Los proyectos de aceleradores de 500-1000 mil millones de eV prevén la creación de imanes dispuestos por una circunferencia con diámetro de 2-5 km. El coste de esos aceleradores, lógicamente, es fabuloso. Es muy difícil hacer aceleradores de dimensiones menores, puesto que la inducción en el núcleo de hierro de los imanes está limitada por la saturación de acero, y el diámetro del acelerador es inversamente proporcional a la inducción de su imán. Así, los cálculos muestran que el gigantesco acelerador de Berkeley podría caber en una mesa de comedor, si fuera posible elevar la intensidad de su campo magnético de 16 a 300 mil Oe.

Puede servir de ejemplo de la utilización combinada de las valiosas propiedades de los superconductores el sistema magnético elaborado por Gioffi para los máseres. Para el funcionamiento de estos últimos se necesita un campo magnético extremadamente uniforme. Gioffi decidió interceptar los caminos por los cuales habitualmente se cierra el flujo de dispersión del electroimán con hojas diamagnéticas de capas múltiples de superconductor. También los devanados del imán eran superconductores. El campo magnético del imán de Gioffi era sumamente uniforme. En los devanados de este imán no había pérdidas por efecto de Joule; pesaba 70 veces menos que un imán corriente.

Los imanes superconductores podrán encontrar aplicación también en las cámaras de burbujas. Por cuanto en éstas se emplea, generalmente, el hidrógeno líquido (20°K) o el helio líquido (4,2°K), la utilización en ellas de superconductores se facilita debido a la simplificación sustancial del aislamiento térmico de los crióstatos. En 1967 a unas firmas norteamericanas se encargó 50 t de barra superconductora con el objeto de construir imanes de las cámaras de burbujas de 2 y 5 m de diámetro y el campo hasta 30 mil Oe. Dichos imanes se han construido ya y están pasando las pruebas.

El consumo despreciable de energía eléctrica, así como el peso y dimensiones pequeñas de las instalaciones superconductoras las hacen muy cómodas para la futura utilización en la técnica cósmica. En efecto, allí donde se lleva la cuenta de cada joule de energía eléctrica, de cada gramo de peso y cada metro de superficie, los superconductores deben ser insustituibles. Si en la Tierra se puede todavía sacrificar estas características a favor de algunas otras consideraciones (por ejemplo, la aplicación de los superconductores complicará la fabricación del dispositivo), en un cohete, un satélite o una nave espacial no se puede dejar de tomarlo en cuenta: a bordo no debe haber aparatos voluminosos, pesados y de gran consumo de energía.

En la revista norteamericana "Astronáutica y aeronáutica" se describen las valiosas propiedades de los sistemas superconductores de protección magnética contra la radiación. En nuestros días es posible ya fabricar solenoides superconductores de grandes dimensiones. A pesar de su elevado coste, determinado en lo fundamental por el coste del superconductor [un kilogramo de aleación de niobio y circonio (el 25% de circonio) cuesta 100 dólares], la pantalla superconductora tiene grandes ventajas frente a otros tipos de pantallas, por cuanto pesará poco y consumirá para su enfriamiento una potencia despreciable dado que en las condiciones del frío cósmico, las exigencias que se presentan a las instalaciones refrigeradores disminuyen bruscamente, ya que la afluencia de calor desde afuera, debido a la baja temperatura del espacio interplanetario, unos grados sobre cero absoluto, es muy pequeña. La afluencia de calor será elevada sólo del lado del crióstato calentado por los rayos solares. A fin de que el helio líquido no se evapore inútilmente en el crióstato por el calor solar, se están proyectando actualmente los "parasoles" cósmicos, que reflejen los rayos solares y no permitan que la nave se caliente. Tales "parasoles", hechos de mylar de capas múltiples, revestido de capa de aluminio, se inflan por helio y estiran en bastidores especiales.

Para la construcción del devanado superconductor han sido propuestos: el toroide hueco, el solenoide de espiras múltiples y varios solenoides toroidales. Mientras se discute el mejor tipo de construcción, en el laboratorio de la firma "Lockheed" se ha hecho un solenoide superconductor de espiras múltiples tipo toroidal con diámetro de 1,8 m para proteger las naves espaciales orbitales. Ese solenoide, ideado con el fin de investigar la eficiencia de la protección superconductora, puede proteger contra las partículas con energía de centenares de megaelectrónvoltios un volumen de varios metros cúbicos.

Ese solenoide crea en la superficie interior del toroide un campo de 15 mil Oe. El solenoide junto con el crióstato y el sistema de refrigeración pesa 85 kg. Asegura la refrigeración del sistema la reserva de helio líquido, suficiente para su funcionamiento en las condiciones de ingravidez durante 5-10 días. En las condiciones terrestres, así como en el sector de puesta en órbita, el tiempo de funcionamiento del sistema disminuye debido a que el aislamiento térmico de capas múltiples del crióstato se comprime bajo la acción del peso del devanado y su resistencia térmica baja. El diámetro interior de este solenoide superconductor tiene 1,8 m y el campo en el centro, 1000 Oe.

Para calcular el sistema de protección se utiliza el concepto del llamado radio de Störmer, que físicamente es el radio de la órbita circular de la partícula en el plano ecuatorial del solenoide. Fue introducido por el físico Störmer al investigar la naturaleza de las auroras polares. Este radio determina el diámetro de la zona en la que no cae ninguna partícula cargada con energía dada. Para proteger eficazmente un volumen de 144 m ³ contra los protones con energías inferiores a 1 mil millones de eV en el caso de que el radio de Störmer tenga 10 m, es necesario que el peso total del sistema sea de 150 t, aproximadamente, incluyendo el peso de la estructura sustentadora, del devanado superconductor y del equipo de refrigeración.

Más de 0,9 del peso de la pantalla magnética corresponde a la estructura sustentadora, que sirve para proteger el solenoide contra su destrucción por esfuerzos electrodinámicos. Estos esfuerzos son muy grandes: en un campo de 500 Oe, la presión magnética es de 1 atm, mientras que en uno de 100 mil Oe, es de cerca de 400 atm.

Otras variantes de pantallas, por ejemplo de aluminio, son mucho más posadas (en más de tres veces) y tienen el inconveniente de que durante el bombardeo de partículas de energías altas pueden formarse neutrones secundarios que hacen una aportación sustancial en la radiación resultante detrás de la pantalla maciza y las paredes de la nave. Y menos segura será, por lo visto, la protección individual contra la radiación: escafandras dobles, el espacio entre las cuales se llena de agua potable, que detiene las partículas.

El empuje que desarrollan los motores de cohete modernos se mide en miles de toneladas. El empuje del "Saturn-V", potentísimo cohete norteamericano que se utiliza para los vuelos hacia la Luna, totaliza 3400 mil kg. Tal empuje permite al cohete vencer las fuerzas de atracción terrestre. Pero después de salir de la esfera de acción de los intensos campos de gravitación, el cohete no necesita más semejante empuje: debido a que la resistencia del ambiente es insignificante, para acelerar el cohete se puede utilizar un empuje del motor mucho menor, digamos, de varios... gramos.

Semejantes motores de plasma se emplearon por primera vez en la estación interplanetario soviética "Zond-2". Esos motores se denominan magnetohidrodinámicos (MHD). No en vano la palabra "magneto" fue colocada en este término en primer lugar. Todo lo referido acerca de los solenoides superconductores del sistema de protección contra radiación, es aplicable en plena medida a los imanes de los motores MHD. Unicamente el imán superconductor hará factible que los motores MHD sean potentes, ligeros y económicos.

Una parte importantísima del sistema de mando automático del vuelo de la nave espacial es el giroscopio: instrumento que en la mayoría de los casos consta de un disco de giro rápido, colocado sobre un eje. Sea cual fuere el cambio de la posición de la astronave en el espacio, la dirección del eje del giroscopio no varía. Hablando más rigurosamente, la posición del eje del giroscopio en el espacio sería absolutamente invariable sólo en el caso de que en el giroscopio no existiese rozamiento, que conduce a ciertos errores en el trazado del rumbo de la nave. Por eso los diseñadores hacen todo lo posible para disminuir el rozamiento en los apoyos del giroscopio. En un giroscopio sobre "almohada magnética", basado en propiedades diamagnéticas ideales de los superconductores, existe la posibilidad de reducir sustancialmente la fricción y aumentar la exactitud.

En caso de "suspensión magnética", el rozamiento existirá solamente entre el elemento giratorio del giroscopio y el helio gaseoso, que se halla siempre en el crióstato.

Los primeros giroscopios superconductores han sido construidos y probados ya. El rozamiento en ellos resultó menor que en todos los demás tipos de giroscopios conocidos.

La gran dificultad que surge al construir giroscopios superconductores consiste en la necesidad de elaborar minuciosamente la esfera giratoria superconductora, puesto que en el caso contrario los defectos de la superficie de la esfera "arrastrarán consigo" el flujo magnético, provocando la deriva cero.

Presenta gran interés la posible aplicación de los sistemas magnéticos superconductores come elementos de la unidad de retrocohetes de la nave cósmica.

Se sabe bien que el peso (más exactamente, la masa) de las estaciones interplanetarias podría reducirse sustancialmente, si fuera posible aprovechar, al entrar en la atmósfera de los planetas, el rozamiento con esa atmósfera para disminuir la velocidad. La nave que entra en la atmósfera sin frenar se calienta mucho a costa del roce y del calentamiento de la atmósfera en la onda de proa junto a la cabeza de la nave. Cuanto mayor es la velocidad de la nave, tanto más se calienta ésta.

El calentamiento de la nave al entrar en la atmósfera de los planetas se puede disminuir únicamente por medio de dispositivos magnetohidrodinámicos. Mas los dispositivos MHD son eficaces sólo a temperaturas muy elevadas de los gases. Esto se logra a gran velocidad de la nave, cuando la electroconductabilidad del plasma detrás de la onda de proa aumenta hasta tal grado que puede ya utilizarse como medio de trabajo del dispositivo MHD.

Si se aplica a ese plasma un campo magnético, el plasma y la nave se frenarán uno respecto a otra, sin entrar en contacto, con la particularidad de que opondrán resistencia al flujo no tanto las superficies frontales como las fuerzas magnéticas.

Eligiendo el grado apropiado de interacción del plasma con el campo magnético, se puede conseguir que el flujo se desprenda por completo del cuerpo. Esto significa que la presión del flujo y la transferencia calórica al cuerpo desaparecen totalmente. En estas condiciones, las fuerzas de frenado se manifiestan sólo en el devanado que crea el campo magnético. Por cuanto la zona en la cual se puede crear el campo magnético es bastante grande, la sección eficaz de frenado del cuerpo aumenta considerablemente.

De este modo, por medio de la aerodinámico magnética de tal tipo, se puede lograr un frenado más eficaz sin calentar al mismo tiempo la propia nave. Presenta también una ventaja el hecho de que se pueda empezar el frenado desde las capas atmosféricas más enrarecidas.

Aunque la entrada en la atmósfera dure apenas unos minutos la utilización de los superconductores para el frenado es evidentemente ventajosa, por cuanto la fuente de potencia, necesaria para mantener el campo magnético aunque sea durante ese tiempo corto, aumenta sustancialmente el peso de la nave, mientras que el consumo de energía eléctrica por los devanados superconductores es varios órdenes inferior que el consumo en los devanados corrientes.

El número cada vez mayor de problemas tanto de carácter cósmico como terrestre requieren ahora tal potencia instantánea que sólo se puede obtener por medio de su acumulación gradual. En la actualidad, con mayor frecuencia para ese fin se utilizan baterías de acumuladores y ... dinamita. Esta última, sin embargo, puede ser utilizada sólo cuando se necesite una potencia mecánica de corta duración; en todos los demás casos se utilizan baterías de condensadores. Las baterías de condensadores de energía considerable son muy voluminosas y no pueden emplearse en una serie de dispositivos para los cuales el peso es el factor decisivo.

Como mostraron las investigaciones, los sustitutos más apropiados de los condensadores pueden ser las bobinas inductoras sin núcleo, en las cuales también puede acumularse gran energía. Mientras que en la batería de condensadores, la densidad de la energía acumulada es de 0,4 MJ/m ³ , en las bobinas inductoras es cien veces mayor. Las ventajas de las bobinas inductoras aumentan a medida del crecimiento de la potencia acumulada.

El problema principal del almacenamiento de energía en un campo magnético son las pérdidas de energía en la resistencia eléctrica de las bobinas. Así, almacenando un millón de joules en un campo de 100 kOe en devanado de cobre refrigerado por agua, se perderá una potencia de 1000 kw. Esta variante es evidentemente irracional.

El almacenamiento de energía en el campo magnético es mucho más económico al utilizar devanados superconductores. El hecho de que los superconductores carecen de resistencia eléctrica significa que la bobina superconductora puede cargarse lentamente de una fuente de energía eléctrica de pequeña potencia. Las pérdidas por efecto de Joule en los devanados se eliminan por completo. Es posible asimismo crear un circuito superconductor cortocircuitado, en el cual la energía se conserva infinitamente. Se han probado ya depósitos magnéticos de energía superconductores con capacidad de 2 mil J a velocidad de descarga de 0,001 s.

Comparando el peso que en tales sistemas corresponde a un millón de joules de energía acumulada (el peso de la bobina se determina, en lo fundamental, por el peso de los elementos que la protegen contra la ruptura), con el mismo parámetro para la dinamita (0,24 kg para un millón de joules) se puede notar algo curioso: la fuerza explosiva del depósito magnético de energía es sólo 10 veces menor que la de la dinamita. Mas, a diferencia de la dinamita, la energía almacenada en un campo magnético es incomparablemente más cómoda: en cualquier momento puede ser transformada en energía eléctrica y de ésta, en la luminosa, la mecánica, la térmica, etc. Además, se puede controlar la velocidad del desprendimiento de la energía magnética.

Figura 33. El imán superconductor más grande del mundo. Su largo es de 3 m; diámetro interior, 30 cm y el campo magnético, 40 mil Oe. Las pérdidas de energía eléctrica en ese imán son incomparablemente menores que en los imanes no superconductores de parámetros idénticos.

Todas estas cualidades de los depósitos magnéticos de energía les asegurarán una amplia aplicación, en particular, para alimentar las lámparas de impulsos que encienden los máseres. Son singularmente atrayentes las perspectivas de utilizar los depósitos magnéticos en el cosmos, donde el medio de vacío puede aprovecharse para aislamiento térmico y, además, utilizando un apantallamiento adecuado, es posible mantener temperaturas bajas, empleando instalaciones refrigeradores de pequeña potencia.

La circunstancia de que los depósitos de energía superconductores son dispositivos con corrientes fuertes y bajas tensiones también es una ventaja en el cosmos, por cuanto la mayoría de los transformadores de energía de las naves especiales son dispositivos de baja tensión, lo que permite conectar directamente la fuente de energía al depósito.

Los dispositivos arriba enumerados no agotan, desde luego, las posibilidades del empleo de los superconductores en la técnica cósmica. Existen, por ejemplo, proyectos de acoplamiento de naves en el cosmos por medio de imanes superconductores; proyectos de "talleres" cósmicos, en los cuales, por medio de los superconductores se podrá labrar metales, así como proyectos de construir en la Luna una red de distribución eléctrica, montada íntegramente de elementos superconductores. Cabe señalar, sin embargo, que estos proyectos se hallan aún en la etapa de estudio previo.

Todo esto son por ahora sueños. Mas la realidad facilita a estos sueños una base sólida: hace apenas unos años, los científicos han obtenido la llave para resolver un importantísimo problema: el del imán. Esta llave es la superconductividad. Y puede ser que precisamente ella abrirá nuevas perspectivas, más fantásticas aún, y entonces todo con lo que sólo soñaba el autor en este capítulo, será nada más que una línea corriente en la lista de éxitos logrados con la ayuda de la superconductividad.