¿Cuál es la diferencia de costo entre los superconductores de baja y alta temperatura? Aprendiendo y Estudiando para siempre

¿Por qué los superconductores de alta temperatura no reemplazan a los superconductores de baja Tc en el LHC y en los imanes de MRI?

Respuesta corta: es porque no puede fluir suficiente corriente a través de superconductores de alta temperatura (a temperaturas de nitrógeno líquido) para producir los campos magnéticos que desea en esas aplicaciones, no el costo de los cables en sí.

Primero, vamos a poner algunos datos sobre la mesa.

Si puede usar nitrógeno líquido como criógeno en lugar de helio líquido, debería hacerlo de manera absoluta y positiva. El nitrógeno líquido es mucho más barato, es renovable y tiene un alto calor de evaporación que lo hace mucho más fácil de trabajar que el helio líquido.
La tecnología para fabricar cables a partir de superconductores de alta temperatura es relativamente madura, al menos para YBCO. Hay compañías que venden este cable (consulte: Respuesta de Inna Vishik a ¿Es posible que una persona compre cable superconductor? ¿Qué pasa con el cable superconductor de alta temperatura (LN2)?), Y han abordado los desafíos de ingeniería de hacer un cable de una cerámica quebradiza (solución: hazla muy delgada) y aumenta la cantidad de corriente que el cable puede soportar (solución: introducción inteligente de defectos)

La dificultad de usar superconductores de alta temperatura operados a temperaturas de nitrógeno líquido en aplicaciones de alta corriente se resume en el siguiente diagrama de fase:

La mayoría de los superconductores, incluso los de baja Tc en las máquinas de MRI, no expulsan todo el campo magnético. En cambio, el campo magnético permite ingresar un superconductor a través de pequeños filamentos llamados vórtices que contienen un flujo magnético cuantificado. La ejecución de una corriente a través de un superconductor aplica efectivamente un campo magnético. Los superconductores con temperaturas más altas son más susceptibles a la penetración de vórtices, lo que no es un problema por sí mismo. El problema surge cuando fluyes corriente. Si la corriente mueve los vórtices, esto puede producir disipación, mejor conocida como resistividad. Entonces, puedes tener una situación en la que un material es un superconductor de acuerdo con la termodinámica y la mecánica cuántica, ¡pero muestra una resistencia finita! Esto es lo que sucede entre la línea roja discontinua y la línea roja continua en el diagrama de fase anterior. Tenga en cuenta que la línea discontinua no es un límite de fase termodinámica, y su ubicación puede ser manipulada de alguna manera introduciendo ‘sitios de anclaje’ – defectos intencionales en un cable de alta Tc, lo que dificulta que la corriente mueva los vórtices.

En cables de alta Tc, la Tc en campo magnético cero es ~ 90K, mientras que el punto de ebullición del nitrógeno líquido es 77K. Por lo tanto, si operáramos un cable superconductor a una temperatura de nitrógeno líquido, estaríamos sentados donde aparece la línea ‘vórtice sólido’ en un campo relativamente bajo, lo que limita la utilidad de estos cables en aplicaciones donde todo el punto es producir un gran campo magnético. Si utilizamos helio líquido como criógeno para estos cables de alto Tc, la línea de puntos aparece en el campo magnético alto. Por lo tanto, el LHC está al menos estudiando el uso de cables de alto Tc en futuras actualizaciones (he visto muchos artículos sobre arXiv sobre este tema, pero tal vez los expertos en LHC pueden intervenir), operándolos a temperaturas de helio líquido.

Mi impresión es que para el LHC (y también para las MRI), el costo de los cables en sí no es una limitación. El costo de los criógenos es una consideración importante, pero no es el # 1. El campo magnético en el que el cable continuará teniendo R = 0 es la consideración principal.