La superconductividad como innovación disruptiva

El pasivo ambiental y social producido por las actividades industriales es uno de los principales factores de los efectos negativos que genera el cambio climático en el planeta y de las grandes asimetrías económicas que generan exclusión social a nivel global. Para concretar un cambio profundo en el actual modelo productivo no alcanza con la innovación incremental que busca soluciones focalizadas y lentas en escalar masivamente. Por ello la Plataforma de Innovación con Sentido, a través de la Fundación Alfredo Zolezzi, que lleva el nombre del creador del Advanced Innovation Center (AIC) de Chile, propone recorrer el camino de la innovación disruptiva. Este provocador concepto se basa en generar innovaciones tecnológicas, que, combinadas con la innovación social y en negocios, permitan transformar las industrias de manera estructural y a gran escala.

Para ello, AIC eligió adecuar una tecnología altamente disruptiva como lo es la superconductividad, descubierta hace más de 100 años, a una de las industrias más cuestionadas ambiental y socialmente como lo es la minería. Parecería ser que, si se puede lograr disrupción en la minería, se puede innovar desde la disrupción en cualquier industria.

¿Qué es la superconductividad? 

Heike Kamerlingh Onnes, físico neerlandés que recibiera el premio Nobel de Física en 1913, da el primer paso en el desarrollo de la superconductividad al crear las primeras técnicas criogénicas para enfriar gases y metales. Desarrolló una escala de temperatura para valores por debajo de –183 °C, conocida como la escala Leiden.

En 1911, al disponer una corriente eléctrica internamente en un anillo de mercurio solidificado, Kamerlingh comprobó que, a temperaturas cercanas al cero absoluto (−273,15 °C), se comprobaba la casi total ausencia de resistencia al paso de la electricidad y ésta fluía intensamente sin perder un ápice de su potencia.

A este fenómeno se lo conoce como superconductividad, propiedad de algunos compuestos que no oponen resistencia alguna al paso de corriente ya que los electrones se desplazan sin colisiones y en zigzag a través de los cristales del átomo. Estos materiales con resistencia nula permiten ahorrar la energía que se disipa en forma de calor en los otros conductores, debido a la colisión de los electrones entre sí y con los átomos del material. Además, tienen otra característica que consiste en que expulsan de su interior los campos magnéticos mientras no sobrepasen un valor límite.

Debido a las bajas temperaturas requeridas para conseguir la superconductividad, los materiales más comunes se suelen enfriar con helio líquido. El montaje necesario es complejo y costoso, utilizándose en muy contadas aplicaciones como, por ejemplo, la construcción de electroimanes muy potentes para resonancia magnética nuclear.

Otro paso clave  se dio en 1933, cuando se descubre el llamado “efecto Meissner”, que consiste en refrigerar un superconductor por debajo de su temperatura crítica en un campo magnético, lo que generará que el campo rodee el superconductor pero no penetre en él. Meissner y Ochsenfeld encontraron que las líneas del campo magnético son expulsadas del interior del material superconductor, comportándose como un material diamagnético (repele los campos magnéticos). El efecto Meissner posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor, de trascendentes consecuencias para la industria.

Finalmente, en la década del 80 se descubrieron nuevas técnicas que no solo redujeron los costos, sino que permitieron emplear materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que también puede transformar la industria del siglo XXI.

Las aplicaciones de la superconductividad son diversas: en el transporte público, por ejemplo, puede hacer levitar magnéticamente a los trenes mientras son impulsados a alta velocidad debido al efecto Meissner. Los sistemas eléctricos de potencia podrían ser grandes beneficiarios de la superconductividad, pues si los generadores contaran con bobinados de hilos superconductores en lugar de hilos convencionales de cobre podrían generar la misma cantidad de electricidad con menor trabajo y equipamiento más pequeño. También la energía que llega al consumidor podría ser utilizada más eficientemente si los electrodomésticos tuvieran motores con bobinados superconductores y circuitos electrónicos con materiales del mismo tipo. En electrónica, la superconductividad permite el diseño y elaboración de nuevos circuitos integrados con innovadoras prestaciones. El calor que genera el flujo de corriente eléctrica perjudica los circuitos integrados, por lo cual, al utilizarse superconductores, no habría disipación de calor y los circuitos podrían conectarse más próximos entre sí, lo que además de reducir el tiempo que necesitan las señales eléctricas para ir de un punto del circuito a otro, permitiría construir dispositivos más rápidos, complejos y pequeños.

 

Un consorcio para la disrupción

A partir de los avances de los últimos 30 años y de desarrollos propios, el Centro de Innovación Avanzada (AIC) de Chile, junto al Advanced Magnet Lab (AML) de Florida, Estados Unidos y Fundación Avina, impulsó el primer consorcio mundial de superconductividad, que contó además con el respaldo clave de CORFO y el apoyo de CAF. El acuerdo contempla la instalación de un avanzado centro de desarrollo científico en Chile para desarrollar aplicaciones concretas en torno a la superconductividad. Uno de los proyectos se centra en la industria minera y consiste en utilizar magnetos superconductores para la separación de elementos tóxicos de los fluidos y evitar que lleguen a los relaves.

El fundador de AIC, Alfredo Zolezzi, explica que esta innovación tiene un efecto equivalente a disminuir la huella ecológica de la minería y además permitiría recuperar aguas, liberando presión sobre un recurso cada vez más escaso en beneficio de la comunidad. En paralelo, también se trabaja en un sistema de levitación magnética de alto tonelaje con elementos superconductores, lo que generaría un gran impacto en la minería subterránea del futuro. Agrega que “vamos a tomar conocimiento y lo vamos a transformar en valor. Vamos a buscar la creación de elementos superconductores afines al cobre y reemplazar el uso de ese metal en las tecnologías superconductoras”.

El consorcio de Superconductividad trabaja en el desarrollo de varias tecnologías que buscan generar disrupción y que permitirán avanzar hacia la minería del futuro, solucionando antiguos problemas de la industria, haciéndose cargo al mismo tiempo de las consideraciones sociales y ambientales para hacer Innovación con sentido. Las innovaciones que podrían lograrse son inimaginables, como por ejemplo transportar toda la energía generada por una central hidroeléctrica por el filamento de un cable. “La superconductividad va a ser a la humanidad lo que en su momento fue el transistor. Toda máquina, todo motor, toda cosa que gire será más eficiente, pequeña, barata, liviana y estará al alcance de todos”, se entusiasma Zolezzi.

Y continúa: la presencia en el consorcio del Advanced Magnet Lab (AML) de EEUU, uno de los centros científicos de mayor nivel en el mundo y líder global en magnetos y superconductividad a cargo del científico Rainer Meinke, padre del Gran Colisionador de Hadrones, permite que el centro norteamericano convierta el dinero del gobierno de EEUU en conocimiento y AIC transforma ese conocimiento en valor. La alianza con Fundación Avina complementa el gran desafío de disrupción de la innovación con sentido: los inventos que se construyan, aparte de ser rentables, tiene que estar destinados a mejorar la vida de los sectores más vulnerables de la población. “Activar demanda donde no existe poder adquisitivo”, remata el diseñador industrial nacido en Viña del Mar.

 

Darle sentido a la innovación

La Plataforma de Innovación con Sentido es un espacio impulsado por CAF Banco de Desarrollo de América Latina, Fundación Alfredo Zolezzi, Fundación Avina, Social Progress Imperative y World-Transforming Technologies que combina la innovación social con la innovación tecnológica y la innovación en negocios para lograr que las poblaciones más vulnerables accedan a bienes públicos de calidad y que los ecosistemas sean protegidos, promoviendo el desarrollo sostenible desde América Latina.

Uno de los espacios que se impulsa desde la Plataforma es el “Consorcio de superconductividad para la eficiencia energética”, IIA, creado en marzo de 2014 para abordar oportunidades y desafíos en la industria global en términos de eficiencia energética, y la superconductividad como un camino para alcanzar este objetivo: desarrollar e insertar en el mercado las primeras máquinas comercialmente viables de superconductividad del mundo, que permitan

  • ahorrar energía a los sectores mineros e industriales mejorando su sustentabilidad ambiental,
  • bajando los costos de la energía para la población en general,
  • generando nuevas empresas en torno a la aplicación de superconductividad
  • y buscando catalizar un nuevo sector industrial capaz de comercializar aplicaciones de superconductividad para la eficiencia energética a nivel global.

 

Todo comenzó con el desarrollo de tecnologías habilitadores, que en este caso son los magnetos superconductores, que permiten el desarrollo de las sucesivas aplicaciones, como es el módulo de distribución de potencia, que no tiene componentes rotatorios. Luego siguieron configuraciones más complejas como lo son las máquinas rotatorias parcialmente superconductoras (condensador sincrónico) y finalmente, el desarrollo de máquinas rotatorias completamente superconductoras (como grandes motores y generadores). Los principales riesgos tecnológicos asociados con estas aplicaciones son: (a) alcanzar la eficiencia energética requerida en la transición entre la temperatura ambiente (conductores de cobre) y las temperaturas criogénicas (superconductores) y, (b) operar los superconductores en un modo de alta frecuencia (AC). Aunque en el pasado algunas de estas soluciones se han desarrollado, la innovación consiste en cumplir con los rigurosos requisitos de una solución comercialmente viable, tanto en costo, confiabilidad y rendimiento.

Se completó una etapa importante de adquisición de equipos criogénicos y equipos auxiliares, que conforman, en su conjunto, un laboratorio especialista único en Sudamérica, lo cual, junto a un equipo humano muy capacitado, constituyen una herramienta importante para salir al mercado.

En estos primeros años de operación se abrieron puertas hacia el mercado que en teoría no se pensaban tener instaladas tan tempranamente. El primer producto generado por el Consorcio, un PSQD, ha sido adquirido por dos centros de investigación muy importantes en EEUU y Francia. Ese hecho los instaló en el mercado internacional de equipamiento para superconductividad, un rubro donde hay pocos oferentes de clase mundial.

Se avanzó con el diseño, construcción y pruebas del primer magneto superconductor construido por el Consorcio, que será presentado a fines de octubre, en el AIC, ubicado en Concon. El proyecto incluye el montaje de una plataforma de demostración de aplicaciones industriales tales como la separación magnética de relaves mineros a partir de una primera bobina superconductora.

 

Bobina superconductora Advanced Innovation Center – AIC

 

Bobina superconductora Advanced Innovation Center – AIC

 

Fuentes:

https://es.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes

https://es.wikipedia.org/wiki/Cero_absoluto

https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Meissner

http://innovacionconsentido.org/

AIC Advanced Innovation Center Chile

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