Abstract:

Este artículo trata sobre el material superconductor Diboruro de Magnesio (MgB2). Por medio de este material gradualmente se generan grandes expectativas ya que, sus propiedades metálicas son altamentes eficientes explorando nuevas aplicaciones. Aunque, el Diboruro de Magnesio posee una corta trayectoria experimental (2001), en la actualidad, se conocen en el mercado una gran variedad de dispositivos gracias al estudio de sus potencialidades.

Términos Indexados:

HTS, MgB2, Criogenia.

Nomenclatura:

MgB2: Diboruro de Magnesio.

HTS: Superconductor de Alta Temperatura.

Jc: Densidad de Corriente Crítica.

SMES: Almacenamiento Energía Magnética Superconductora.

Introducción:

Este documento dedica gran parte a materiales superconductores, los cuales son nuevos en comportamiento, por esto los investigadores realizan búsquedas en materiales simples con comportamientos sostenibles.

Este estudio se desarrolla mediante el material Diboruro de Magnesio MgB2, el cual es un componente binario que posee una estructura atómica simple comparada con otros y donde su teoría se simplifica ante el hecho de conocer sus propiedades metálicas, causando una nueva tecnología denominada superconductividad. Lo que se quiere con este artículo, es demostrar la mayoría de las aplicaciones realizadas a base de este componente.

Este artículo se fragmenta en una breve contextualización con el que se pretende conocer los aspectos teóricos básicos de la superconductividad; luego se hace una descripción de la estructura cristalina, por la cual se desarrolla la superconductividad y por ultimo una proyección hacia las aplicaciones de los superconductores, especialmente del Diboruro de Magnesio y posteriormente mencionar algunas aplicaciones puntuales.

Contextualización:

En primer lugar, debemos reconocer a la superconductividad como el fenómeno que describe el libre movimiento que efectúan los electrones sobre una red cristalina sin encontrar colisión. La superconductividad tiene como fundador a Kamerlingh Onnes, quien en 1911, realizo el experimento de licuar helio sobre muestras de mercurio y en simultáneo, midió la resistencia eléctrica del material; esta experiencia permitió encontrar un salto abrupto de la resistencia eléctrica de los materiales, representado por una resistencia cero hacia una temperatura de 4 grados kelvin, a continuación se encuentra la figura Fig. 1, que describe todos los datos obtenidos del experimento y donde se descubre la superconductividad.

Fig.1. Demostración gráfica de la superconductividad en un material, donde Tc es la Temperatura Crítica de Transición. Figura tomada desde la página web:

http://buscandoasusy.files.wordpress.com/2008/02/super.jpg?w=242&h=289 [12].

A primera vista, este comportamiento es la solución de las pérdidas eléctricas en los conductores eléctricos, pero la explicación más sencilla a este fenómeno de superconducción la explica los pares de Cooper, y consiste en la agrupación de los electrones, por pares, congelando la acción repulsiva de la red cristalina y así efectuando un movimiento libre de cargas eléctricas. Esta explicación fue descrita por John Bardeen, Leon Cooper, y John Schrieffer en 1957.

En principio, consistió en conocer las propiedades eléctricas de los materiales y buscar su repetividad en ellos, luego se fueron ampliando hacia la aplicación de campos magnéticos exteriores. En el estado superconductor es evidente el efecto Meissner, el cual consiste en la desaparición total de campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica, es decir ejerce una fuerza repulsiva ante los campos magnéticos existentes. Este efecto fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933, cuando midieron la distribución de flujo en muestras de plomo y estaño sometidas a bajas temperaturas de transición. Para tener una noción gráfica, la figura Fig. 2, indica el comportamiento de un superconductor ante flujos de campo exteriores a temperaturas críticas tanto superiores como inferiores.

Fig. 2. Efecto Meissner en Superconductores. Fuente: http://4.bp.blogspot.com/_rQ7K_lauh44/S6C8HFIZ0II/AAAAAAAAAOc/zqCBsdDeNyg/s400/meissner.jpg

El último de los fenómenos en los superconductores, es el efecto Josephson. Este fenómeno consiste en unir dos capas superconductoras y de intermedio se somete un dieléctrico perfecto; el comportamiento esperado es mismo de efecto túnel, el cual se describe con una corriente eléctrica. Este efecto fue descubierto por Brian David Josephson en 1962. Una forma similar de ver los dispositivos Josephson es la estructura macroscópica del condensador, no como almacenamiento de energía sino como selector de corriente eléctrica, a continuación encontramos la figura Fig. 3, la cual describe los principales dispositivos a base del efecto Josephson.

Fig. 3. Efecto Josephson en Superconductores. Fuente: http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7179/images/451664a-i2.0.jpg

Estos cuatro principios determinan una nueva ciencia, con nuevos materiales y comportamientos nunca antes vistos, lo que sugieren ser competitivos a nivel eléctrico, magnético y cuántico.

Descripción:

La historia en la superconductividad, establece principalmente el desarrollo de las teorías convencionales, en las que se rescatan los principales efectos de la superconductividad, además, donde los investigadores iniciaron una búsqueda en nuevos materiales, dando en primer lugar a los componentes metálicos, con resultados no muy favorables, ya que todos ellos necesitaban de refrigeración mediante helio líquido, y actualmente una de las técnicas de refrigeración más costosas.

Mediante estas desventajas, se dio prioridad a la búsqueda de nuevos materiales mediante el uso de compuestos metálicos y no metálicos como el óxido de cobre (1964); convirtiéndose en un hallazgo, ya que la superconductividad en estos materiales logro en primer lugar, superar la refrigeración a temperaturas del nitrógeno líquido y en segundo lugar, creo el uso de técnicas más complejas para el desarrollo experimental, ya que los materiales en nuestra naturaleza no son totalmente puros, con alta sensibilidad a factores externos. Aunque, se investigó la superconductividad a temperatura ambiente con el grafeno, hoy en día se tiene en cuenta el uso de materiales metálicos, debido a que estos materiales funcionan mediante las teorías convencionales y prácticamente por su estabilidad en el desarrollo del estado superconductor ante diferentes factores externos.

En cuanto a se refiere al Diboruro de Magnesio, es un componente binario y simple, el cual se conoce como <un componente metálico>, pero ya en 2001 se dio comprobación experimental de su superconductividad, con trabajos realizados por las Universidades de Aoyama Gaukin Tokio y California, lograron demostrar la superconductividad a una temperatura critica de transición de 39ºK y esta temperatura es tres veces mayor que el metal Niobio Titanio NbTi (1941) cuya transición se encuentra sobre los 9,2ºK, considerando al Diboruro de Magnesio como el material más competente en cualquier aplicación.

Hay hechos que generan connotación, el principal de ellos es llegar a explicar el incremento de la temperatura de transición en un compuesto muy sencillo como los boros y magnesios, sin dejar atrás el comportamiento metálico del componente sin que este sea refrigerado, cuya propiedad se denomina Intermetálico. Luego de estas ventajas, sabemos que la composición del boro y magnesio son gránulos de polvo en estado sólido, que al ser combinados generan una estructura cristalina por capas, de forma hexagonal, pero con la adición de magnesios centrados en sus caras. La siguiente figura Fig. 1, muestra en primera instancia, su vista tridimensional de la estructura cristalina, la cual hace énfasis en la capa primaria y a partir de ella se genera una periocidad en la red, y en la parte inferior, se logra una vista desde la cara c, y en la que se hace mención la participación del boro en la estructura.

Fig. 3. Estructura cristalina del Diboruro de Magnesio.

Tomada del libro: Superconductivity Conventional and Unconventional, pág. 9.

En laboratorios mediante difracción de rayos X, se logró demostrar que la anterior estructura cristalina

corresponde al Diboruro de Magnesio, además permitió correlacionar los parámetros de red con a=3,086 A

y b=3,524 A, ya que determinan la distancias de las celdas unitarias. A continuación la tabla contiene los

anteriores valores y de igual forma nuevos datos, con los que se ha publicado propiedades magnéticas con la generación de campos magnéticos superior e inferior cuyo rango es muy amplio y se encuentra entre los 20 mili-Teslas hasta 20 Teslas; en seguida, el parámetro de longitud de coherencia indica el posible tamaño del par de Cooper y es uno de los parámetros que determinan el desplazamiento en la red, mientras que, la longitud de penetración hace prelación a la distancia de entrada del campo magnético en el componente. Otro parámetro, es el que caracteriza el paso de cargas eléctricas por una sección transversal mediante la densidad

de corriente crítica con 107 A

cm2 mayor que la del cobre con 5,9∗103 A

cm2 .

TABLA IPARAMETROS SUPERCONDUCTORES DEL MgB2 [42].Parámetros Superconductor Valor MgB2

TemperaturaCrítica Tc=39-40KParámetro de Red a=0.3086nm

b=0.3524nmDensidadTeórica ρ=2.55g/cm3

ResistividadCerca de Tc αT= αB+ αMg=0.3+0.002Campo Crítico Superior Hc2││ab(0)=14-39 T

Hc2││c(0)=2-24 TCampo Crítico Inferior Hc1(0)=27-48 mTCampo Irreversible Hirr(0)=6-35 TLongitud de Coherencia ξab(0)=3.7-12 nm

ξc(0)=1.6-3.6 nmLongitud de Penetración ƛ(0)=85-180 nmEnergía del Gap ∆(0)=1.8-7.5 meVDensidad de CorrienteCrítica

Jc(4.2K, 0T)> 107 A/cm2

En resumen, el Diboruro de Magnesio mantiene tres características principales, la primera de ellas como el superconductor metálico de más alta temperatura conocido hasta el momento; luego por su baja anisotropía,

permite que sus propiedades sean cuasi semejantes cuando se examinan desde las diferentes direcciones a, b, c y el último de ellos, con la conectividad que logran los granos, ya que su estructura perfecta permite que sea un buen superconductor.

Aplicaciones de los superconductores

En el momento se conoce el desarrollo de los primeros dispositivos superconductores de propósito especial, ahora lo que se pretende es fusionar la superconductividad con la electrónica logrando ventajas como: velocidad más alta, menos ruido, consumo reducido de potencia, y el uso posible de alta frecuencia. Esto permite tener un alto impacto en la tecnología de las comunicaciones, la electrónica de alta precisión y alta frecuencia, medidores de altos campos magnéticos, supercomputadoras más rápidas, etc.

En lo concerniente a la superconductividad aplicada, este es uno de los campos donde se requiere un amplio conocimiento de la física de estado sólido para entender cómo es que funciona y se manipula los dispositivos, sin dejar atrás las ventajas de la nanotecnología; por esto, la superconductividad pretende ser una ciencia interdisciplinar con gran impacto social en el desarrollo de la tecnología actual.

En concerniente al desarrollo de dispositivos superconductores, se ha realizado un gran avance en el desarrollo de síntesis de granos, películas delgadas, cristales individuales, alambres, cintas y junturas Josephson generando un particular interés en el desarrollo de dispositivos superconductores de interferencia cuántica denominada SQUIDs (SQUID en inglés es: Superconducting Quatum Interference Device) y todos los posibles servicios digitales.

Las aplicaciones donde se requieren aplicaciones de alta corriente, en forma de alambres y cintas, con el control estricto de composición y de conectividad de gránulos, luego de pruebas diagnósticas que permitan caracterizar los materiales.

Para la preparación de granos y películas delgadas, se realiza mediante reacción termoquímica de estado sólido en la que implica la calcinación de la mezcla y la sintetizacion. Mientras que las aplicaciones de estos componentes, incluye a la electrónica de alta frecuencia en radio frecuencia RF para comunicaciones microondas, dispositivos superconductores de interferencia cuántica SQUID, para la detección de diminutos campos magnéticos, y cables superconductores para la eficiencia energética en la prestación y uso de energia.

En general, la superconductividad es uno de los fenómenos que hasta ahora cumple 100 años, y a través de este tiempo ha logrado vincular investigaciones que prometen mejorar los parámetros de los materiales superconductores, por esto, se ha querido llevar la teoría y la aplicación de la mano, para crear un tipo de mercado que promueve el uso de superconductores.

En el momento, contamos con una amplia categoría de dispositivos, donde la superconductividad ha tenido gran aprovechamiento gracias a sus potencialidades y con las que prometen ser innovadoras en el presente siglo. De acuerdo a la categorización de la superconductividad, sus principales áreas de impacto social, se dan a través de la medicina, la electrotecnia, actividades a gran escala, en el transporte y aplicaciones espaciales. A continuación, se muestra la figura Fig. 6, que resume todas las ramas de aplicación de la superconductividad, y del que tiene gran concordancia con la Universidad de Cambridge.

MEDICAS

ELECTROTECNIA

GRAN ESCALA

TRANSPORTE

ESPACIO

Fig. 6. La SC es una ciencia de aplicaciones interdisciplinares [26].

Vemos, que este anillo contiene en principio solo 5 aplicaciones, pero son amplias las áreas de impacto, por ejemplo: en la primera aplicación, las ciencias médicas se concentran en la generación de campos magnéticos, con lo que se pretende encontrar anomalías fisiológicas en el ser humano, generalmente este tipo de tratamiento hace uso imágenes de resonancia magnética; en este caso, la superconductividad se involucra desde la generación de campos magnéticos como la obtención de las imágenes de resonancia magnética.

Existe otro método adyacente, como la medición de señales biomagnéticas presentes en el interior del cuerpo; esta aplicación se realiza con un nuevo dispositivo superconductor de interferencia cuántica SQUID (Superconducting QUantum Interference Device), el cual se le denomina el magneto-metro ya que tiene la capacidad de medir campos magnéticos desde los femto teslas, permitiendo ser fiable en aplicaciones de magneto-encelografía, magneto-cardiografía, y otras aplicaciones biomagnéticas [27]. Seguidamente, otra herramienta en las ciencias médicas es la resonancia magnética nuclear, debido a ella, es posible el estudio de estructuras moleculares basadas en el spin nuclear de los átomos; para realizar estos dispositivos se debe cumplir dos principios eléctricos y uno magnético, el primero de ellos es, “toda corriente eléctrica tiene asociado un campo magnético”, en consecuencia, “todos los campos magnéticos pueden generar corriente eléctrica” y la última condición, generación de campo magnético fuertes a una muestra de moléculas que un químico desea identificar [28].

Aun se tiene en cuenta el resurgimiento de la resonancia en espacios abiertos, como la integración de agentes para desarrollar imágenes de más alta fidelidad, la siguiente imagen Fig. 1, hace relación a un prototipo que se utiliza en Latinoamérica por PARAmed medical systems, con el fabricante MrOpen que hizo posible la generación de imágenes de resonancia magnética a través de superconductores metálicos de alta temperatura con el Diboruro de Magnesio1.

Fig.1. Sistemas abiertos de resonancia, a base de MgB2.Tomado de la página web: http://www.paramedla.com/images/nosotros3.jpg

Con relación a la anterior aplicación, la superconductividad permite generar aplicaciones al alcance de nuevas técnicas y revolucionarias; por otro lado, la electrotecnia es otra de las aplicaciones superconductoras con las que se pretende hacer uso racional de la energía eléctrica.

1 http://www.paramedla.com/MrOpen(ESP).pdf

Mediante, la intervención a gran escala con la generación de cables permitió mejorar el transporte de cargas eléctricas y una reducción de costos en su generación; según el Dr. Bartek Glowacki el MgB 2 "Es un material muy diferente a los otros superconductores" [40], con la posibilidad actual de uso de superconductividad metálica en un 95% del total de los superconductores aplicados incluyendo los superconductores curpratos [41]. La siguiente figura hace referencia a un tipo de cable superconductor, realizado en la universidad de Cambridge, el cual según su geometría pueden ser unifilamento (parte superior) o multifilamento (parte inferior), resaltando que la realización de estos cables involucra una envoltura en aislantes y protectores.

Fig. 12. In situ, MgB2 reaccionado en una matriz de cobre. Fuente: http://www.msm.cam.ac.uk/ascg/materials/mgb2insitu.jpg [48]

Aunque en la Universidad de Cambridge se realizó esta investigación, comprobando las aplicaciones superconductoras, aún existen empresas como Columbus Superconductors, una empresa italiana que dedica la mayor parte de su producción en la fabricación de nanocables a base de Diboruro de Magnesio y su proyección es incorporarse como una empresas líder en el uso de superconductividad en el mundo. Asimismo, incorpora sistemas de refrigeración a base de hidrogeno el cual permite estabilizar el comportamiento del Diboruro de Magnesio, que según el Instituto Americano de Física es un buen criogeno y no es necesario utilizar el helio, que es un material costoso2.

Otras de las aplicaciones más cuestionadas en Japón, se debe al uso del transporte masivo mediante el efecto de levitación magnética. Este sistema, se destaca porque los materiales pueden levitar sobre una pista a grandes velocidades cercanas a los 500 Km/h, con usos minoritarios de energía y disminuyendo los desgastes mecánicos; principalmente se están usando con superconductores cerámicos de alta temperatura, pero estudios complementarios demuestran que este sistema se puede utilizar con superconductores metálicos HTS, presentando mayor estabilidad [31]. La figura Fig. 1, hace referencia al maglev inaugurado el año pasado en China, con buenos pronósticos de implementación.

2 http://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-7/iss-5/p22.pdf

Fig. 1. Intervención de la superconductividad en el transporte masivo.

Aunque, el sistema de transporte terrestre tiene impacto directo hacia la superconductividad, se quiere realizar sistemas marinos, mediante impulsadores más eficientes considerándose una de las aplicaciones innovadores, con muy próxima experimentación.

En esta última rama, encontramos a las aplicaciones espaciales, donde las comunicaciones se ven involucradas xxxxx Sin embargo, haber realizado cables superconductores, aun da más nociones aplicativas como en antenas; estas antenas pueden ser muy simples, y se obtienen mediante un cable el cual toma una nueva forma helicoidal. Por lo tanto, cuando se diseñan antenas con frecuencia de operación de 450MHz con material no superconductor se hace sobre una área de 20cm2, estas nuevas antenas, en aplicaciones tipo dipolo, lazo (50Ω longitud cable, 17 centímetros y 1 milímetro de diámetro), y cable helicoidal con material superconductor pretende miniaturizar las antenas efectuando una recepción más alta e inmune al ruido. La ventaja principal aquí, es la eliminación baja de la disipación óhmica siendo estos sistemas más efectivos, incluso para antenas con dimensiones mucho menor que una longitud de onda [56].

Esta nueva tecnología ofrece un potencial de larga reducción en volumen de las antenas y en los equipos electrónicos. Por esto la nasa, ve como principal argumento el estudio de estos materiales en sistemas de comunicaciones donde se consideren un alto desempeño en la conmutación, con bajas perdidas de emisión y un tratamiento a interferencias; en la siguiente tabla hace un resumen de los requerimientos de la superconductividad en los sistemas satelitales.

TABLA. II. IMPACTO POTENCIAL DE TECNOLOGÍA HTS EN SISTEMAS SATELITALES

Reducción en masa componentes y sistemas

. reducción de costos

. largo tiempo en estación

. capacidad carga útil adicional

Realización en receptor en ruido eléctrico G/T

. Efectiva potencia irradiada efectiva EIRP. Reducción tamaño antena. Impacto de los costes para servicios móviles. Margen de enlace mejorada contra la lluvia o la decoloración

Además de considerar al cable, como una antena y la superconductividad en el espacio, en comunicaciones surgen grandes defectos como las interferencias. Las interferencias o ruido eléctrico es el fenómeno inesperado e incómodo de toda aplicación, entonces aquí lo que se plantea es un sistema de filtros como los front-end, filtro circular variable, Hairpin Line, los cuales son usados en comunicaciones móviles, o filtros pasa banda de grandes ancho de banda pero con selectividad aumentada y módicas funcionalidades que otros materiales no pueden realizar ya sea por su sensibilidad y estabilidad además de generar sincronización inter-redes creando sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Primero iniciamos con una aplicación sencilla, como el cable superconductor, pero del que fue transformando su aplicación has llegar a sistemas de escala de integración mas altas.

Luego de conocer, el uso de sistemas de imágenes de resonancia magnética con Diboruro de Magnesio MgB2, presentamos otras aplicaciones con la propuesta de un uso efectivo en la energía eléctrica. La aplicaciones en motores y generadores, parte del funcionamiento del cable pero concentrando sus propiedades de conducción a efectividad máxima.

Una de las aplicaciones donde se genera más impacto es con la generación y transformación de energía eólica. Este proceso es uno de los más compactos, ya que se necesita buenos generadores, cables con el que transporten la energía a un banco de baterías como SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), con el que da almacenamiento desde pequeñas cantidades de energía sea posible [29].

Fig. 1. Intervención de la superconductividad en la energía eólica.