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Un team guidato dai fisici Christoph Utschick e dal professor Rudolf Gross dell'Università Tecnica di Monaco (TUM) è riuscito a realizzare una bobina di fili superconduttori in grado di trasmettere una potenza di oltre cinque kilowatt senza contatto e con perdite minime. L'ampia gamma di potenziali applicazioni comprende robot industriali autonomi, apparecchiature mediche, veicoli e persino aeromobili.
La trasmissione di energia senza contatto si è già affermata come tecnologia chiave per la ricarica di piccoli dispositivi come telefoni cellulari e spazzolini elettrici. Gli utenti desiderano che la ricarica senza contatto sia disponibile anche per macchinari elettrici di dimensioni maggiori, come robot industriali, apparecchiature mediche e veicoli elettrici.
Questi dispositivi potrebbero essere collocati in una stazione di ricarica quando non vengono utilizzati. Ciò consentirebbe di sfruttare efficacemente anche brevi periodi di inattività per ricaricare le batterie. Tuttavia, i sistemi di trasmissione attualmente disponibili per la ricarica ad alte prestazioni nell'ordine dei kilowatt e oltre sono ingombranti e pesanti, poiché si basano su bobine di rame.
In collaborazione con le aziende Würth Elektronik eiSos e Theva Dünnschichttechnik, specialista in rivestimenti superconduttori, un team di fisici guidato da Christoph Utschick e Rudolf Gross è riuscito a creare una bobina con fili superconduttori in grado di trasmettere energia senza contatto dell'ordine di oltre cinque kilowatt (kW) senza perdite significative.
Riduzione delle perdite in corrente alternata nei superconduttori:
per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno dovuto superare una sfida. Piccole perdite in corrente alternata si verificano anche nelle bobine di trasmissione superconduttrici. Queste perdite aumentano con l'aumentare dell'efficienza di trasmissione, con un impatto decisivo: la temperatura superficiale dei fili superconduttori aumenta e la superconduttività crolla.
I ricercatori hanno sviluppato una particolare configurazione della bobina in cui i singoli avvolgimenti sono separati l'uno dall'altro da distanziatori. "Questo accorgimento riduce significativamente le perdite di corrente alternata nella bobina", afferma Christoph Utschick. "Di conseguenza, è possibile trasmettere potenza fino al kilowatt.".
Ottimizzazione tramite simulazioni analitiche e numeriche.
Il team ha scelto un diametro della bobina per il proprio prototipo che ha permesso di ottenere una densità di potenza superiore a quella possibile nei sistemi disponibili in commercio. "L'idea di base delle bobine superconduttrici è quella di raggiungere la minima resistenza possibile alla corrente alternata all'interno del più piccolo spazio di avvolgimento possibile e compensare così il ridotto accoppiamento geometrico", afferma Utschick.
Ciò ha costretto i ricercatori a risolvere un conflitto fondamentale. Se avessero ridotto la distanza tra gli avvolgimenti della bobina superconduttrice, la bobina sarebbe risultata molto compatta, ma ci sarebbe stato il rischio di un collasso della superconduttività durante il funzionamento. D'altra parte, distanze maggiori avrebbero comportato una minore densità di potenza.
"Abbiamo ottimizzato la distanza tra i singoli avvolgimenti utilizzando simulazioni analitiche e numeriche", afferma Utschick. "La spaziatura è approssimativamente pari alla metà della larghezza del conduttore a nastro." I ricercatori ora intendono lavorare per aumentare ulteriormente la quantità di potenza trasmissibile.
Ambiti applicativi entusiasmanti:
se avranno successo, si apriranno le porte a una serie di interessanti settori applicativi, come la robotica industriale, i veicoli autonomi e le apparecchiature mediche ad alta tecnologia. Utschick immagina persino auto da corsa elettriche che possono essere ricaricate dinamicamente in pista, così come velivoli elettrici autonomi.
Tuttavia, l'applicabilità su larga scala del sistema presenta ancora un ostacolo. Le bobine richiedono un raffreddamento costante con azoto liquido e i recipienti di raffreddamento utilizzati non possono essere in metallo. Altrimenti, le pareti dei recipienti metallici si surriscalderebbero considerevolmente nel campo magnetico, proprio come una pentola su un piano cottura a induzione.
"Attualmente non esiste sul mercato alcun criostato di questo tipo. Sarà necessario un notevole sforzo di sviluppo", afferma Rudolf Gross, professore di fisica tecnica presso l'Università Tecnica di Monaco e direttore dell'Istituto Walther-Meissner dell'Accademia Bavarese delle Scienze e delle Discipline Umanistiche. "Tuttavia, i risultati ottenuti finora rappresentano un importante passo avanti per la trasmissione di energia senza contatto ad alti livelli di potenza.".
Pubblicazione:
Christoph Utschick, Cem Som, Ján Souc, Veit Große, Fedor Gömöry e Rudolf Gross.
Trasferimento di potenza wireless superconduttivo oltre i 5 kW con elevata densità di potenza per applicazioni industriali e ricarica rapida delle batterie.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2 febbraio 2021.
Link: https://ieeexplore.ieee.org/document/9345521
Ulteriori informazioni:
Il partner di cooperazione Würth Elektronik eiSos ha definito l'argomento e finanziato la promozione industriale alla base di questa pubblicazione. Parte essenziale della ricerca è stata svolta presso l'Istituto Walther-Meissner (WMI) dell'Accademia Bavarese delle Scienze e delle Discipline Umanistiche. I superconduttori ad alta temperatura utilizzati sono stati forniti da Theva Dünnschichttechnik, una società spin-off dell'Università Tecnica di Monaco.
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