Una start-up italiana propone una tecnologia rivoluzionaria per l’alimentazione superconduttiva, che opera a temperature criogeniche permettendo il passaggio di grandi quantità di corrente senza dispersioni.
I magneti superconduttivi sono componenti chiave in applicazioni importantissime come la diagnostica medica, e per tecnologie evolute come la fusione nucleare a confinamento magnetico e la propulsione spaziale elettrica. Queste applicazioni possono richiedere correnti da decine di migliaia di ampere, che i sistemi basati sull’elettronica di potenza convenzionale, a temperatura ambiente, possono gestire solo con sistemi di raffreddamento potenti, energivori
e costosi.
Al contrario, se portati a temperature criogeniche, i materiali superconduttori sono ideali nelle applicazioni in cui spazio, peso ed efficienza energetica sono fattori critici. Magnetic Future ha sviluppato Flux Pump, un alimentatore superconduttivo concettualmente semplice, ma estremamente efficiente, che permette di energizzare i magneti con correnti elettriche altissime praticamente senza perdite.
Interruttore superconduttivo
Dal punto di vista elettrotecnico, Flux Pump funziona come un raddrizzatore di tensione superconduttivo wireless. Opera direttamente nell’ambiente criogenico, in prossimità del magnete, e permette di iniettare energia nel circuito superconduttivo senza discendenti di corrente. Flux Pump porta “l’azione” dove conviene, cioè nel freddo, riducendo drasticamente i costi operativi.
Il “cuore” tecnologico della Flux Pump è l’interruttore superconduttivo HTS (High-Temperature Superconductor), il cui sviluppo è supportato dal progetto di ricerca SuperSwitch – finanziato dal programma Deep Tech Revolution dell’ente nazionale di ricerca Area Science Park. Per consolidare la propria offerta tecnologica, Magnetic Future ha sviluppato anche strumenti evoluti di simulazione e progettazione multifisica.
Nel prototipo del progetto SuperSwitch, più nastri HTS sovrapposti e collegati in parallelo moltiplicano la capacità di conduzione fino a 5 kA. Ogni nastro è prodotto da fornitori specializzati ed è integrato con precisione micrometrica nella struttura meccanica e termica dello switch, garantendo sia la tenuta meccanica alle temperature criogeniche sia la rapida risposta termica necessaria per la commutazione.
Il dispositivo (nell’immagine) comprende strati isolanti criogenici in Kapton, conduttori in rame ad alta purezza e l’attuatore termico. Il tutto è racchiuso in un involucro raffreddato con azoto liquido, resistente alle sollecitazioni termiche e alle deformazioni durante i cicli di raffreddamento e riscaldamento.
Nello switch superconduttivo il passaggio tra gli stati “chiuso” (conduzione) e “aperto” (interruzione) sfrutta la sensibilità alla temperatura dei materiali superconduttori.
In condizioni normali d’esercizio il nastro HTS è in stato superconduttivo, alimentato dalla rete (1) ed è immerso nell’azoto liquido a –196 °C (2). Per interrompere il flusso, un riscaldatore aumenta localmente la temperatura del nastro di pochi gradi, appena sopra la temperatura critica. Il nastro HTS perde temporaneamente le proprietà, opponendo resistenza alla corrente e bloccandola. Quando il riscaldamento cessa, in meno di un secondo il nastro si raffredda e torna superconduttivo.
Due di questi switch (3) operano in sinergia nella flux pump di Magnetic Future. Alternando aperture e chiusure degli interruttori con un algoritmo di controllo proprietario, l’energia è iniettata in modo progressivo e continuo nel magnete superconduttivo, collegato alla flux pump da due terminali (4). Le perdite energetiche sono ridotte di oltre il 90% rispetto ai sistemi tradizionali.
Alcuni nastri superconduttivi e, sullo sfondo, un set-up sperimentale utilizzato nei test sullo switch superconduttivo di Magnetic Future.
Il nastro HTS è realizzato con un materiale ceramico di nuova generazione, rivestito esternamente con acciaio (dimensioni trasversali: 14 x 0,166 mm; sezione 2,32 mm2). Se raffreddato in azoto liquido, il nastro HTS rappresentato in figura può portare correnti fino a 700 A, rendendo il sistema più scalabile e termicamente stabile rispetto alle precedenti generazioni di superconduttori. Se si volesse portare la stessa corrente con un conduttore di rame, la sua sezione dovrebbe essere di almeno 300 mm2.
