Un equipo dirigido por los físicos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) Christoph Utschick y el profesor Rudolf Gross ha conseguido fabricar una bobina con hilos superconductores capaz de transmitir potencia del orden de más de cinco kilovatios sin contacto y con sólo pequeñas pérdidas. El amplio abanico de aplicaciones imaginables incluye robots industriales autónomos, equipos médicos, vehículos e incluso aviones.
La transmisión de energía sin contacto ya se ha establecido como una tecnología clave a la hora de cargar pequeños dispositivos como teléfonos móviles y cepillos de dientes eléctricos. A los usuarios también les gustaría que la carga sin contacto estuviera disponible para máquinas eléctricas más grandes, como robots industriales, equipos médicos y vehículos eléctricos.
Estos dispositivos podrían colocarse en una estación de carga siempre que no estén en uso. Esto permitiría utilizar eficazmente incluso los tiempos de inactividad cortos para recargar sus baterías. Sin embargo, los sistemas de transmisión disponibles actualmente para la recarga de alto rendimiento en el rango de los kilovatios y superior son grandes y pesados, ya que se basan en bobinas de cobre.
En colaboración con las empresas Würth Elektronik eiSos y el especialista en revestimientos superconductores Theva Dünnschichttechnik, un equipo de físicos dirigido por Christoph Utschick y Rudolf Gross ha conseguido crear una bobina con hilos superconductores capaz de transmitir energía sin contacto del orden de más de cinco kilovatios (kW) y sin pérdidas significativas.
Reducción de la pérdida de corriente alterna en los superconductores
Para ello, los investigadores tuvieron que superar un reto. En las bobinas de transmisión superconductoras también se producen pequeñas pérdidas de corriente alterna. Estas pérdidas crecen a medida que aumenta el rendimiento de la transmisión, con un impacto decisivo: La temperatura de la superficie de los cables superconductores aumenta y la superconducción se desploma.
Los investigadores desarrollaron un diseño de bobina especial en el que los devanados individuales de la bobina están separados entre sí por espaciadores. "Este truco reduce significativamente la pérdida de corriente alterna en la bobina", dice Christoph Utschick. "Como resultado, es posible la transmisión de potencia hasta el rango de los kilovatios".
Optimización con simulaciones analíticas y numéricas
El equipo eligió un diámetro de bobina para su prototipo que dio lugar a una densidad de potencia superior a la que es posible en los sistemas disponibles en el mercado. "La idea básica con las bobinas superconductoras es conseguir la menor resistencia posible a la corriente alterna dentro del menor espacio posible del bobinado y compensar así el reducido acoplamiento geométrico", dice Utschick.
Esto obligó a los investigadores a resolver un conflicto fundamental. Si hacían que la distancia entre los devanados de la bobina superconductora fuera pequeña, la bobina sería muy compacta, pero habría peligro de colapso de la superconducción durante el funcionamiento. Por otro lado, las separaciones más grandes darían lugar a una menor densidad de potencia.
"Optimizamos la distancia entre los distintos devanados mediante simulaciones analíticas y numéricas", dice Utschick. "La separación es aproximadamente igual a la mitad de la anchura del conductor de la cinta". Los investigadores quieren ahora trabajar para aumentar aún más la cantidad de potencia transmisible.
Emocionantes áreas de aplicación
Si lo consiguen, la puerta se abrirá a un gran número de áreas de aplicación muy interesantes, por ejemplo, usos en robótica industrial, vehículos de transporte autónomo y equipos médicos de alta tecnología. Utschick prevé incluso vehículos de carreras eléctricos que puedan cargarse dinámicamente en el circuito, así como aviones eléctricos autónomos.
Sin embargo, la aplicabilidad a gran escala del sistema sigue enfrentándose a un obstáculo. Las bobinas requieren una refrigeración constante con nitrógeno líquido, y los recipientes de refrigeración utilizados no pueden ser de metal. De lo contrario, las paredes de los recipientes metálicos se calentarían considerablemente en el campo magnético, como lo hace una olla en una placa de inducción.
"Todavía no hay ningún criostato de este tipo disponible en el mercado. Esto supondrá un gran esfuerzo de desarrollo", afirma Rudolf Gross, catedrático de Física Técnica de la Universidad Técnica de Múnich y director del Instituto Walther-Meissner de la Academia Bávara de Ciencias y Humanidades. "Pero los logros alcanzados hasta ahora representan un gran avance para la transmisión de energía sin contacto a altos niveles de potencia".
Publicación:
Christoph Utschick, Cem Som, Ján Souc, Veit Große, Fedor Gömöry y Rudolf Gross
Transferencia de energía inalámbrica superconductora más allá de 5 kW con alta densidad de potencia para aplicaciones industriales y carga rápida de baterías.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2 de febrero de 2021
Enlace: https://ieeexplore.ieee.org/document/9345521
Más información:
El socio de cooperación Würth Elektronik eiSos definió el tema y financió la promoción industrial subyacente a esta publicación. Partes esenciales de la investigación se llevaron a cabo en el Instituto Walther-Meissner (WMI) de la Academia Bávara de Ciencias y Humanidades. Los superconductores de alta temperatura utilizados fueron proporcionados por Theva Dünnschichttechnik, una empresa derivada de la Universidad Técnica de Múnich.
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