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§20. Obtención, almacenamiento y transporte de helio líquido

Hemos dicho ya que la superconductividad, que promete perspectivas tan brillantes a la técnica de campos magnéticos intensos, sólo puede existir a temperaturas muy bajas, próximas a cero absoluto. Generalmente, para obtener temperaturas bajas se emplea el helio líquido, puesto que en el intervalo de temperaturas de 1 a 10°K es la única substancia que no pasa al estado sólido.

El procedimiento más progresivo hasta ahora de refrigerar el helio gaseoso es su licuación mediante la máquina de expansión de émbolo, creada en 1934 por el académico P. Kapitsa. La esencia de ese método consiste en que el helio gaseoso se expande en un recipiente especial, la máquina de expansión, empujando el émbolo, es decir, realiza cierto trabajo, cediendo energía.

En este caso el helio se enfría. Repitiendo el cielo, se puede lograr, en principio, que el helio se enfría hasta 4,2°K y se transforme en líquido. Sin embargo, con mayor frecuencia, el enfriamiento del helio en la máquina de expansión de émbolo se combina con otros procedimientos de refrigeración, por ejemplo, con la estrangulación.

Al estrangular el helio, previamente comprimido y enfriado, pasa por una ranura estrecha estrangulador, expandiéndose luego. La esencia física del enfriamiento por medio de la estrangulación (efecto de Joule-Thomson) consiste en que, al aumentar el volumen del gas durante su expansión en el estrangulador, las distancias intermoleculares en el gas crecen y se realiza cierto trabajo contra las fuerzas de atracción. El gas pierde su energía interna y, por consiguiente, se enfría.

Una de las mejores máquinas modernas de expansión para licuar el helio "Г-3" fue creada en el Instituto de Problemas Físicas de la Academia de Ciencias de la URSS. He aquí el principio de su funcionamiento.

Un compresor de émbolo comprime el helio que se suministra desde gasómetros y lo hace pasar al condensador, en el que entran por hora unos 350 m ³ de helio gaseoso comprimido hasta 22-23 atm. Primeramente el helio se enfría en un baño de nitrógeno líquido (70°K). Luego, una parte de helio enfriado pasa a la máquina de expansión de émbolo, donde se expande, haciendo moverse al émbolo, y la temperatura de helio baja hasta 11-12°K. A continuación, el helio frío se utiliza para enfriar nuevas porciones de helio. La otra parte de helio gaseoso enfriado entra al llamado escalón de estrangulación, en el cual lo hacer pasar por el estrangulador. El gas, enfriado ya considerablemente, se enfría más aún, transformándose, parcialmente, en líquido (se licúa cerca del 10% de la cantidad inicial de helio).

El rendimiento del aparato llega a 45 l/h y el consumo de energía eléctrica, a 2,5 kwh/l de helio enfriado. Tal productividad no es el límite. En los últimos años, en EE.UU. se han construido condensadores de helio con rendimiento de 200 litros de helio líquido por hora y más. ¿Es grande o pequeño ese rendimiento?

El calor de la evaporación del helio líquido es tan bajo (4,8 kcal/kg) que una bombilla eléctrica de 4 W, encendida en el helio líquido, ¡evaporizaría más de 50 l de helio líquido por hora! No obstante, la falta absoluta de resistencia en los devanados superconductores y, por consiguiente, de desprendimiento de calor permite plenamente conformarse con semejantes cantidades de helio líquido incluso para los arrollamientos más grandes. Basta con asegurar un termoaislamiento muy bueno de la zona en la que se halla el devanado superconductor para que el calor no penetre en esa zona de afuera.

El mejor aislamiento térmico es el vacío (la presión remanente es de 10 ^-5 ,-10 ^-6 mm de la columna de mercurio). La conductividad térmica del gas residual es, en este caso, demasiado pequeña para asegurar una transferencia calórica algo perceptible. En el caso de utilizar el aislamiento por vacío, adquiere importancia decisiva la transferencia calórica por medio de la radiación. Para suprimir o, por lo menos, disminuir sustancialmente la transferencia calórica desde la zona de temperatura alta a la de temperatura baja es necesario colocar en el camino de la radiación en el vacío pantallas reflectoras enfriadas por algún agente frigorífico. El enfriamiento de la pantalla es necesario porque la transferencia calórica es proporcional a la diferencia de las cuartas potencias de las temperaturas de las superficies. Disminuyendo esa diferencia, se puede lograr un efecto mayor aún de aislamiento térmico. Basta decir que la colocación de una pantalla enfriada por el nitrógeno líquido, ¡disminuye 200 veces la afluencia de calor a la zona de temperatura baja!

El helio líquido se conserva en frascos Dewar especiales, generalmente de forma esférica, puesto que la esfera de volumen dado tiene la menor superficie, mientras que cada centímetro adicional de superficie ¡supone una afluencia de calor sobrante! En el recipiente que más se usa, С Д-10Г, caben 10 l de helio lн quido. El helio se guarda en un recipiente esférico ubicado dentro de un baño de nitrógeno que a su vez se halla dentro de un cuerpo esférico con temperatura ambiente. Entre el cuerpo exterior y los recipientes con el nitrógeno y el helio se crea un alto vacío. En semejante recipiente se pierde diariamente el 2% de helio, como máximo.

Hay recipientes estandarizados de mayor capacidad, por ejemplo, de 50, 80 y 100 l. Es posible que el desarrollo de la técnica superconductora conduzca a la creación de recipientes mucho más grandes aún. En EE.UU., para el suministro centralizado de helio, se utilizan cisternas de helio con capacidad de 10-30 mil l. En estos dispositivos gigantescos se aplican ya los principios de aislamiento térmico algo distintos: se utiliza el llamado aislamiento de múltiples capas de pantallas en vacío. Es un espacio de vacío lleno de gran número de capas de hojas de aluminio alternadas con materiales termoaisladores, por ejemplo, el tejido de lana de vidrio o el papel de vidrio. El número de esas pantallas puede ser muy elevado: más de cien.

Puede considerarse resuelto, en principio, también el problema de transporte de helio líquido por tuberías mediante el bombeo, problema que preocupa singularmente a los constructores de las líneas de transporte de energía superconductoras. El principio en que se basan esas tuberías-crióstatos, prácticamente, es el mismo que se utiliza en los frascos Dewar. Es un tubo interior con helio líquido rodeado de una pantalla concéntrica de nitrógeno, colocada, a su vez, en una funda exterior que se halla a temperatura ambiente. La superficie interior del tubo de helio está revestida de una película superconductora que es precisamente el conductor de esa línea de momento exótica de transporte de energía.

Los primeros experimentos en la esfera de la creación de grandes sistemas de refrigeración dan resultados alentadores. Podemos estar seguros de que en un futuro próximo seremos testigos de nuevos éxitos asombrosos en esta rama.