Instrumentação e medição

ímanes super-forte são um fenómeno relativamente recente. Antes do século XIX, os únicos ímanes disponíveis eram rochas naturais feitas de um mineral chamado magnetite. Isto começou a mudar depois de 1819, quando o cientista dinamarquês Hans Christian Ørsted descobriu que as correntes eléctricas nos fios metálicos criam campos magnéticos, mas o verdadeiro salto na força magnética só veio quase um século mais tarde, com a descoberta da supercondutividade. Os supercondutores conduzem a electricidade com uma eficiência perfeita, o que é uma enorme vantagem para fazer ímanes fortes: os ímanes supercondutores comercialmente mais potentes actualmente disponíveis podem produzir um campo estável de até 23 T, que é mais de 2000 vezes mais forte do que o íman no seu frigorífico.

Em Dezembro de 2017, as melhorias na tecnologia de ímanes supercondutores de baixa temperatura (LTS), juntamente com os avanços nos materiais supercondutores de alta temperatura (HTS), produziram outra mudança no desenvolvimento dos ímanes. A demonstração bem sucedida de um íman totalmente supercondutor de 32 T pelo Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético (NHMFL) na Florida, EUA, foi um marco significativo no campo. Espera-se que o novo super-íman esteja disponível para os utilizadores em 2019, e o seu campo elevado e estável ajudará os cientistas a inovar nos estudos de ressonância magnética nuclear, ressonância magnética electrónica, sólidos moleculares e estudos de oscilação quântica de metais complexos, entre outras áreas. A longo prazo, espera-se também que a maior disponibilidade de campos magnéticos tão fortes melhore a nossa compreensão de supercondutores e nanomateriais, levando a novos nano-dispositivos e aplicações.

Existem, contudo, vários desafios associados à concepção e fabrico de ímanes capazes de produzir campos de > 25 T. A quantidade de energia armazenada em sistemas como estes é enorme, e gerir as forças e tensões electromagnéticas associadas tanto à energização do íman, como ao seu aquecimento e “extinção” (como é conhecida a transição de comportamento supercondutor para resistivo), não é tarefa fácil. Produzir fios e fitas LTS e HTS de alta qualidade e uniformes ao metro (e mesmo ao quilómetro) também é difícil. O sucesso do desenho final de 32 T não aconteceu de um dia para o outro; foi antes o produto de engenharia intensa e desenvolvimento de materiais durante quase uma década.

Finding the right superconductor

A superconducting magnet of ≥25 T tipicamente compreende um íman exterior (ou “outsert”) feito de materiais LTS e um inserto que usa materiais HTS. No íman de 32 T NHMFL, a secção exterior consiste em três bobinas de nióbio-estanho (Nb3Sn) e duas bobinas de nióbio-titânio (NbTi), todas fornecidas pela Bruker-Oxford Superconducting Technology. Juntas, estas bobinas entregam um campo de 15 T através de um íman de 250 mm de diâmetro largo. A secção de inserção fornece 17 T num furo frio de 34 mm desenvolvido pela NHMFL usando fitas supercondutoras avançadas HTS fabricadas pela Superpower Inc. As duas secções foram integradas por uma equipa de cientistas da NHMFL, apoiada por uma equipa da minha empresa, Oxford Instruments Nanoscience, que também desenvolveu o íman exterior e o seu sistema criogénico.

O desenho de dois componentes de ímanes de alto campo é necessário porque os ímanes só LTS não podem produzir um campo muito além de 21 T a 4,2 K (ou 23 T a 2,2 K) devido às limitações físicas dos materiais LTS. Por exemplo, o NbTi foi desenvolvido nos anos 70 e tem sido desde então o “cavalo de batalha” dos ímanes supercondutores. No entanto, o material NbTi só pode funcionar como supercondutor em campos até 10 T a 4,2 K (e não mais de 11,7 T a 2,2 K) para ímanes com furos estreitos de menos de 60 mm. Para ímanes com furos maiores, o campo máximo é ainda mais baixo, limitando a utilidade do material em ímanes de campo alto. Bobinas feitas de material Nb3Sn podem permanecer supercondutoras até 23 T a 2,2 K, muito mais altas do que é possível para NbTi, mas também precisam de ter uma estrutura de filamento muito fina para evitar um fenómeno conhecido como salto de fluxo que dissipa a energia no supercondutor e pode fazer com que a bobina se apague prematuramente. Assim, o fabrico do fio Nb3Sn tem de ser feito com procedimentos rigorosos de controlo de qualidade em vigor para assegurar um desempenho estável em campos elevados.

HTS materiais, em contraste, podem transportar corrente significativa a 4,2 K, e permanecem supercondutores muito acima dos limites do campo magnético inerente aos fios à base de nióbio, tendo demonstrado bom desempenho em campos até 45 T (que podem ser gerados por ímanes que incorporam bobinas resistivas bem como supercondutoras). No entanto, estes materiais apresentam desafios adicionais em termos de custo, fiabilidade e aceitação dentro da comunidade de utilizadores. A primeira geração de fio HTS foi feita a partir de um supercondutor à base de cuprato, bismuto estrôncio de óxido de cálcio e cobre (Bi-2212). Este material tem um desempenho consistente independentemente da orientação do campo magnético, mas o seu fabrico requer que o material seja submetido a um tratamento térmico muito preciso em oxigénio, após o que se torna extremamente frágil e, portanto, altamente sensível à tensão. O íman NHMFL 32 T utiliza um fio HTS de segunda geração feito de YBCO, uma cerâmica supercondutora composta de ítrio, bário, cobre e oxigénio. A produção de fios e fitas YBCO aumentou durante os últimos anos, e as suas propriedades mecânicas são melhores do que para o Bi-2212, mas apresentam efeitos anisotrópicos no que diz respeito à orientação de campo que precisam de ser contabilizados na concepção do íman. Requerem também sistemas de gestão de têmpera mais sofisticados. Em suma, ambos os materiais têm os seus desafios, mas também algumas vantagens, e são fortes candidatos a ímanes de campo elevado.

Gerir a energia armazenada e o stress

Para que os supercondutores no interior e exterior do íman funcionem, ambos os componentes devem ser mantidos totalmente imersos num banho de hélio líquido a 4.2 K. Poucos μJ de energia adicional – equivalente à energia potencial de um pino caído da altura de apenas alguns centímetros – seria suficiente para elevar a temperatura acima do ponto em que as bobinas se tornam resistivas, e o íman sofre um arrefecimento. Quando isso acontece, o hélio ferve e toda a energia armazenada no íman é libertada muito rapidamente, arriscando-se a danificar a sua estrutura se o processo de têmpera não for devidamente gerido. O potencial de danos é também significativo: no campo máximo de 32 T, a energia armazenada no íman NHMFL é superior a 8,3 MJ, aproximadamente igual à energia em 2 kg de TNT.

Imãs de campo elevado já desempenham um papel importante na investigação e desenvolvimento científico

Como se pode gerir a dissipação de 8,3 MJ de energia de uma forma que não cause danos terminais nem ao íman nem aos objectos que o rodeiam? A solução é um sistema de gestão de têmpera que liberta a energia muito rapidamente, mas de forma a evitar danos no íman através de gradientes térmicos ou tensões excessivas na bobina. Este sistema (uma solução dedicada e patenteada desenvolvida pela Oxford Instruments) assegura que, durante o modo de falha, todas as tensões nas bobinas e as suas tensões são mantidas dentro dos limites de concepção para assegurar que não haja um desafio excessivo ao desempenho do material. Por exemplo, aquecedores de bobinas especialmente concebidos são utilizados para tornar as bobinas magnéticas resistivas, o que dispersa a energia do resfriamento uniforme e seguro, e evita que secções da bobina sejam danificadas por tensões excessivas localizadas. Além disso, a segurança do sistema integrado de ímanes é mantida por sensores que monitorizam pequenas variações de temperatura, tensão, corrente ou a posição física dos fios e das fitas. Parte desta informação é então introduzida num processador central, que determina se está a ocorrer um evento de têmpera “real” e, se necessário, descarrega a energia armazenada de forma atempada e segura.

Além de armazenarem grandes quantidades de energia, os ímanes de campo elevado também experimentam enormes graus de tensão electromagnética. Para um dado íman, a quantidade de tensão mecânica aumenta quadraticamente com a força do campo, e a 32 T estas tensões somam mais de 300 toneladas, com uma pressão magnética de mais de 250 MPa. As formas tradicionais de reforçar as bobinas magnéticas envolvem impregná-las com cera para criar uma estrutura auto-sustentável que impede que a força de Lorentz na bobina as danifique durante o funcionamento, ou movimento mecânico que leva à repetição da têmpera da bobina. No entanto, em campos muito elevados, isto não é suficiente. Em vez disso, as bobinas para o exterior do LTS foram evacuadas numa câmara especial de vácuo, e a câmara foi então reconduzida à pressão atmosférica após a introdução de resina epoxi para substituir os vazios de ar dentro das bobinas. Este processo torna possível que as bobinas resistam a forças superiores a 300 toneladas.

Prospectos para descobertas

Imãs de campo elevado já desempenham um papel importante na viabilização da investigação e desenvolvimento científico. Muitas descobertas significativas, incluindo várias que foram subsequentemente distinguidas com prémios Nobel em física, química ou medicina, foram feitas com a ajuda de fortes campos magnéticos. Os ímanes supercondutores de alto campo são também uma tecnologia essencial para aceleradores de partículas e colididores, e desempenham um papel crítico em dispositivos de fusão como o Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER).

Na minha opinião, no entanto, algumas das aplicações futuras mais excitantes para dispositivos como o íman 32 T NHMFL podem ser encontradas no campo da nanotecnologia. Ímanes de campo elevado permitirão o estudo e manipulação de átomos e estruturas moleculares na gama de 1-100 nm, ajudando-nos a compreender como as propriedades dos materiais a esta escala podem ser melhoradas para alcançar maior resistência, melhor reactividade, melhor função catalítica e maior condutividade. Em combinação com baixas temperaturas, os campos elevados são também uma ajuda crucial no estudo, modificação e controlo de novos estados da matéria. Ímanes supercondutores proporcionam estes campos magnéticos elevados sem o enorme consumo de energia e os grandes requisitos de infra-estruturas de ímanes resistivos. O novo íman de 32 T, ainda mais compacto, reduzirá ainda mais os custos de funcionamento associados, tornando a investigação de campo elevado acessível a um leque mais vasto de cientistas e instituições.

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