Instrumentación y medición

Los imanes superfuertes son un fenómeno relativamente reciente. Antes del siglo XIX, los únicos imanes disponibles eran rocas naturales hechas de un mineral llamado magnetita. Esto empezó a cambiar a partir de 1819, cuando el científico danés Hans Christian Ørsted descubrió que las corrientes eléctricas en los cables metálicos crean campos magnéticos, pero el verdadero salto en la fuerza de los imanes no llegó hasta casi un siglo después, con el descubrimiento de la superconductividad. Los superconductores conducen la electricidad con una eficiencia perfecta, lo que supone una enorme ventaja para fabricar imanes potentes: los imanes superconductores más potentes de hoy en día, disponibles en el mercado, pueden producir un campo estable de hasta 23 T, que es más de 2000 veces más fuerte que el imán de tu nevera.

En diciembre de 2017 las mejoras en la tecnología de imanes superconductores de baja temperatura (LTS), junto con los avances en los materiales superconductores de alta temperatura (HTS), produjeron otro cambio en el desarrollo de imanes. La demostración con éxito de un imán totalmente superconductor de 32 T por parte del Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos (NHMFL) de Florida (EE.UU.) fue un hito importante en este campo. Se espera que el nuevo superimán esté disponible para los usuarios en 2019, y su campo elevado y estable ayudará a los científicos a abrir nuevos caminos en los estudios de resonancia magnética nuclear, resonancia magnética de electrones, sólidos moleculares y estudios de oscilación cuántica de metales complejos, entre otras áreas. A más largo plazo, también se espera que la mayor disponibilidad de campos magnéticos tan potentes mejore nuestra comprensión de los superconductores y los nanomateriales, dando lugar a nuevos nanodispositivos y aplicaciones.

Sin embargo, existen varios retos asociados al diseño y la fabricación de imanes capaces de producir campos de > 25 T. La cantidad de energía almacenada en este tipo de sistemas es enorme, y la gestión de las fuerzas y tensiones electromagnéticas asociadas tanto a la energización del imán como a su calentamiento y «apagado» (como se conoce a la transición del comportamiento superconductor al resistivo) no es tarea fácil. También es difícil producir cables y cintas LTS y HTS uniformes y de alta calidad por metros (e incluso por kilómetros). El éxito del diseño final de 32 T no se produjo de la noche a la mañana, sino que fue el producto de un intenso desarrollo de ingeniería y materiales a lo largo de casi una década.

Encontrar el superconductor adecuado

Un imán superconductor de ≥25 T suele estar formado por un imán exterior (o «outsert») fabricado con materiales LTS y un inserto que utiliza materiales HTS. En el imán NHMFL de 32 T, la sección externa consta de tres bobinas de niobio-estaño (Nb3Sn) y dos bobinas de niobio-titanio (NbTi), todas ellas suministradas por Bruker-Oxford Superconducting Technology. Juntas, estas bobinas proporcionan un campo de 15 T a través de un imán de 250 mm de diámetro. La sección de inserción proporciona 17 T en un agujero frío de 34 mm desarrollado por el NHMFL utilizando cintas superconductoras HTS avanzadas fabricadas por Superpower Inc. Las dos secciones fueron integradas por un equipo de científicos del NHMFL, con el apoyo de un equipo de mi empresa, Oxford Instruments Nanoscience, que también desarrolló el inserto exterior del imán y su sistema criogénico.

El diseño de doble componente de los imanes de alto campo es necesario porque los imanes sólo de LTS no pueden producir un campo mucho más allá de 21 T a 4,2 K (o 23 T a 2,2 K) debido a las limitaciones físicas de los materiales de LTS. Por ejemplo, el NbTi se desarrolló en los años 70 y ha sido el «caballo de batalla» de los imanes superconductores desde entonces. Sin embargo, el material NbTi sólo puede funcionar como superconductor en campos de hasta 10 T a 4,2 K (y no más de 11,7 T a 2,2 K) para imanes con agujeros estrechos de menos de 60 mm. Para los imanes de mayor diámetro, el campo máximo es aún menor, lo que limita la utilidad del material en los imanes de alto campo. Las bobinas fabricadas con material Nb3Sn pueden permanecer superconductoras hasta 23 T a 2,2 K, mucho más de lo que es posible para el NbTi, pero también necesitan tener una estructura filamentosa muy fina para evitar un fenómeno conocido como salto de flujo que disipa energía en el superconductor y puede hacer que la bobina se apague prematuramente. Por lo tanto, la fabricación del alambre de Nb3Sn debe realizarse con estrictos procedimientos de control de calidad para garantizar que funcione de forma estable en campos elevados.

Los materiales HTS, en cambio, pueden transportar una corriente significativa a 4,2 K, y siguen siendo superconductores muy por encima de los límites de campo magnético inherentes a los alambres basados en niobio, habiendo demostrado un buen rendimiento en campos de hasta 45 T (que pueden ser generados por imanes que incorporan bobinas resistivas además de superconductoras). Sin embargo, estos materiales conllevan retos adicionales en cuanto a su coste, fiabilidad y aceptación dentro de la comunidad de usuarios. La primera generación de cables HTS se fabricó con un superconductor basado en el cuprato, el óxido de cobre de calcio de estroncio de bismuto (Bi-2212). Este material tiene un rendimiento constante independientemente de la orientación del campo magnético, pero su fabricación requiere que el material se someta a un tratamiento térmico muy preciso en oxígeno, tras el cual se vuelve extremadamente frágil y, por tanto, muy sensible a la deformación. El imán de 32 T del NHMFL utiliza un hilo HTS de segunda generación fabricado con YBCO, una cerámica superconductora compuesta de itrio, bario, cobre y oxígeno. La producción de hilos y cintas de YBCO ha aumentado en los últimos años y sus propiedades mecánicas son mejores que las del Bi-2212, pero presentan efectos anisotrópicos con respecto a la orientación del campo que hay que tener en cuenta en el diseño del imán. También requieren sistemas más sofisticados de gestión del enfriamiento. En resumen, ambos materiales tienen sus retos, pero también algunas ventajas, y son fuertes candidatos para los imanes de alto campo.

Gestión de la energía almacenada y la tensión

Para que los superconductores del inserto y del exterior del imán funcionen, ambos componentes deben mantenerse completamente sumergidos en un baño de helio líquido a 4.2 K. Unos pocos μJ de energía adicional -equivalente a la energía potencial de un alfiler lanzado desde la altura de unos pocos centímetros- serían suficientes para elevar la temperatura por encima del punto en el que las bobinas se vuelven resistivas y el imán se apaga. Cuando esto ocurre, el helio hierve y toda la energía almacenada en el imán se libera muy rápidamente, con el riesgo de dañar su estructura si el proceso de enfriamiento no se gestiona adecuadamente. El potencial de daño también es importante: en el campo máximo de 32 T, la energía almacenada en el imán del NHMFL es de más de 8,3 MJ, aproximadamente igual a la energía de 2 kg de TNT.

Los imanes de alto campo ya desempeñan un papel importante para permitir la investigación y el desarrollo científico

¿Cómo se puede gestionar la disipación de 8,3 MJ de energía de forma que no se produzcan daños terminales ni en el imán ni en los objetos que lo rodean? La solución es un sistema de gestión del enfriamiento que libera la energía muy rápidamente, pero de una manera que evita el daño del imán a través de gradientes térmicos o tensiones excesivas en la bobina. Este sistema (una solución específica y patentada desarrollada por Oxford Instruments) garantiza que, durante el modo de fallo, todas las tensiones en las bobinas y sus voltajes se mantengan dentro de los límites de diseño para garantizar que no se produzca un desafío excesivo para el rendimiento del material. Por ejemplo, se utilizan calentadores de bobina especialmente diseñados para que las bobinas del imán sean resistivas, lo que dispersa la energía del temple de forma uniforme y segura, y evita que las secciones de la bobina se dañen por tensiones excesivas localizadas. Además, la seguridad del sistema magnético integrado se mantiene mediante sensores que controlan las pequeñas variaciones de temperatura, tensión, corriente o la posición física de los cables y cintas. Parte de esta información se introduce en un procesador central, que determina si se está produciendo un evento de apagado «real» y, si es necesario, descarga la energía almacenada de forma oportuna y segura.

Además de almacenar grandes cantidades de energía, los imanes de alto campo también experimentan enormes grados de estrés electromagnético. Para un imán determinado, la cantidad de tensión mecánica aumenta cuadráticamente con la intensidad del campo, y a 32 T estas tensiones suman más de 300 toneladas, con una presión magnética de más de 250 MPa. Las formas tradicionales de reforzar las bobinas magnéticas consisten en impregnarlas de cera para crear una estructura autoportante que impida que la fuerza de Lorentz sobre la bobina las dañe durante el funcionamiento, o que el movimiento mecánico provoque el apagado repetido de la bobina. Sin embargo, a campos muy altos esto no es suficiente. En su lugar, las bobinas del LTS outsert se evacuaron en una cámara de vacío especial, y la cámara se volvió a llevar a la presión atmosférica después de haber introducido resina epoxi para reemplazar los vacíos de aire dentro de las bobinas. Este proceso hace posible que las bobinas soporten fuerzas superiores a las 300 toneladas.

Perspectivas de descubrimientos

Los imanes de alto campo ya desempeñan un papel importante para permitir la investigación y el desarrollo científicos. Muchos descubrimientos significativos, incluidos varios que posteriormente fueron galardonados con premios Nobel de física, química o medicina, se han realizado con la ayuda de campos magnéticos fuertes. Los imanes superconductores de alto campo también son una tecnología esencial para los aceleradores y colisionadores de partículas, y desempeñan un papel fundamental en dispositivos de fusión como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER).

Sin embargo, en mi opinión, algunas de las aplicaciones futuras más interesantes de dispositivos como el imán de 32 T del NHMFL pueden encontrarse en el campo de la nanotecnología. Los imanes de alto campo permitirán el estudio y la manipulación de átomos y estructuras moleculares en el rango de 1 a 100 nm, ayudándonos a comprender cómo pueden mejorarse las propiedades de los materiales a esta escala para conseguir mayor resistencia, mayor reactividad, mejor función catalítica y mayor conductividad. En combinación con las bajas temperaturas, los campos elevados son también una ayuda crucial para estudiar, modificar y controlar nuevos estados de la materia. Los imanes superconductores proporcionan estos altos campos magnéticos sin el enorme consumo de energía y los grandes requisitos de infraestructura de los imanes resistivos. El nuevo imán de 32 T, aún más compacto, reducirá aún más los costes de funcionamiento asociados, haciendo que la investigación de alto campo sea accesible a un mayor número de científicos e instituciones.

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