Superconduttori e levitazione magnetica

Superconduttori e levitazione magnetica

Presente e futuro dei superconduttori

Indice

01

04

Treno a levitazione magnetica

La superconduttività

02

La levitazione magnetica

05

Progetti per i Maglev nel mondo

03

Applicazioni dei superconduttori

La superconduttività

elettroni che scorrono al loro interno incontrano resistenza del filo metallico

• Normali conduttori

• Superconduttori

elettroni fluiscono senza incontrare alcuna resistenza

Come è possibile?

Raffreddando il conduttore e portandolo a temperature vicine allo zero assoluto, gli elettroni si condensano e si liquefano

Scoperta da Heike Kamerlingh Onnes (1911)

Mentre studiava un campione di mercurio scoprì che a circa -269°C (4,2 K), la resistività del mercurio al passaggio della corrente diventa improvvisamente nulla

Cosa succede in un superconduttore?

Liquefazione degli elettroni

Corrente scorre senza incontrare resistenza elettrica

Effetto Meissner:superconduttore al di sotto della temperatura critica respinge tutti i campi magnetici con cui entra in contatto (levitazione magnetica)

Non c'è dissipazione di energia(effetto Joule)

Teoria B.C.S.

• Elaborata nel 1957
• Da 3 scienziati americani: Barden, Cooper e Schrieffer
• Progresso nello studio dei superconduttori

Descrive la superconduttività come un effetto quantistico di condensazione delle coppie di Cooper

Problema: descrive solo il comportamento di una categoria di conduttori mentre gli altri sono ancora definiti "conduttori anomali"

Ancora necessaria una ricerca continua per sfruttare al meglio i superconduttori e a temperature critiche più alte

Alcuni materiali superconduttori

Cuprato di mercurio, bario, calcio, rame e ossigeno

Acido solfidrico

Niobio

• Record mondiale di superconduttività
• T critica: 203 K (-70 °)
• Problema: necessita pressione di 1,5 milioni atm

Cavo conduttore in niobio riesce ad alimentare un intero condominio

• Miglior superconduttore
• T critica: 133K (-140°) (con azoto liquido)

La levitazione magnetica

La possibilità di sfidare la gravità

• Possibilità di realizzare sospensioni magnetiche controllate grazie ai progressi tecnologici
• Una realtà ancora confinata ad applicazioni di nicchia ma in corso di espansione
• Potrà essere applicata a:

• I sistemi sono attivi: necessitano di fornitura di potenza dall'esterno
• Permettono di:

1. mezzi di trasporto (treni a levitazione magnetica) 2. macchine rotanti (cuscinetti magnetici)

1. ridurre la resistenza al moto2. aumentare la velocità di rotazione 3. ridurre i consumi energetici e i costi di manutenzione 4. ottenere vantaggi ambientali

Dimostratori

Levitatore a un asse attivo

Sistema a cuscinetti magnetici

1. Un elettromagnete tiene sospesa una sfera elettromagnetica

1. Quattro sensori ottici mantengono il rotore in levitazione e ne trasferiscono le informazioni ad un controllore digitale

2. Due sensori ottici rilevano gli spostamenti verticali della sfera

VS

2. Il controllore digitale pilota otto elettromagneti di sospensione

3. Un sistema di controllo analogico regola la corrente dell'elettromagnete per tenere la sfera fissa

3. Un motore asincrono mantiene il rotore in rotazione

4.Il sistema acquista una posizione variabile nel tempo che fa eseguire alla sfera oscillazioni verticali controllate

4. Due cuscinetti di atterraggio, in mancanza di alimentazione agli elettromagneti, fanno appoggiare il rotore

Il levitatore magnetico

• Realizza il principio della sospensione magnetica totalmente attiva
• La forza elettromagnetica è direttamente proporzionale alla corrente e inversamente proporzionale alla distanza dall'oggetto
• Se la corrente è costante, l'elettromagnete si comporta come una calamita
• Per mantenere la sfera a una distanza prefissata bisogna variare la corrente dell'elettromagnete un centinaio di volte al secondo
• Stabilizzata la sospensione magnetica, è possibile variare la posizione della sfera con movimenti voluti

Vantaggi

1. Non c'è contatto fisico tra le parti in movimento -> no attrito e usura

2. Si possono raggiungere velocità molto elevate con potenza minima

3. Maggiore durata e diminuzione dei costi di manutenzione

4. Riduzione dell'inquinamento

Applicazioni dei superconduttori

• Possibilità di forte corrente in filo piccolo per costruire elettromagneti di potenza inaudita
• Oggi: molti elettromagneti potenti basati su superconduttori
• Alcune applicazioni importanti:

SQUIDS (Superconducting QUantum Interference Devices)

• Apparecchi a interferenza quantistica
• Utilizzati per misurare piccolissimi campi magnetici
• In campo neurologico: per studiare attività cerebrale

Contenitori di corrente elettrica

• Applicazione futuristica: corrente in anello superconduttore potrebbe essere accumulata e trasportata potenzialmente all’infinito
• Permetterebbe di superare un grande limite dell'attuale tecnologia: corrente elettrica non può essere immagazzinata

Applicazioni dei superconduttori

Progetto magflySkateboard che fluttua grazie alla repulsione tra il superconduttore all'interno della tavola e le calamite del binario sottostante Superconduttori nelle linee elettriche Scopo: eliminare la dispersione di energiaChicago: la prima città a installare cavi elettrici superconduttori nel sottosuolo In medicina: risonanza magnetica Treni a levitazione magnetica

Treni a levitazione magnetica

l'era dei treni sospesi

• Uso della sospensione elettromagnetica
• Magneti superconduttori a poli uguali che si respingono e permettono di muoversi senza attrito
• La propulsione è fornita da un motore lineare sincrono
• La parte inferiore del veicolo si avvolge ai binari e non subisce attrito viaggiando su un cuscino d'aria

Maglev: pro e contro

alta velocità (Maglev raggiunge velocità +500 km/h)

elevati costi di costruzione

emissioni zero

eco-compatibile

VS

Rumorosità minima

potenzialmente pericolosi

Può trasportare migliaia di passeggeri, camion o automobili al giorno

I costi di servizio sono soltanto 3 centesimi per passeggero per ogni chilometro

Sistemi di controllo: ha bisogno di un progetto accurato per evitare eventuali problemi o addirittura incidenti sulla pista durante la levitazione

Costi di manutenzione ridotti al minimo

Ostacolo dei Maglev

• Per evitare di diminuire drasticamente la velocità in curva

assetto variabile:

• Applicazione nel veicolo N700

calcola la velocità con un sistema di sensori intelligente e in curva inclina il veicolo

Progetti per i Maglev nel mondo

USA: progetto Magnet

Francia:TGV

Giappone e Cina:Maglev

Italia: Ironlev

Magnet

• Progetto che prevede l'utilizzo della levitazione magnetica stabilizzata
• Possibilità di cambiare binario istantaneamente
• Scambi controllati da sistema computerizzato che regola livelli di intensità della forza magnetica
• Una rotaia magnetica interagisce con le bobine all'interno del convoglio spingendolo in avanti
• Rivoluzionato il sistema di trasporti permettendo di scegliere la destinazione

Maglev

• treno che viaggia sospeso su una monorotaia
• usa attrazione e repulsione magnetica come mezzo di locomozione
• levitazione dovuta a grandi magneti posti sotto i vagoni
• la levitazione magnetica è sospesa per 2 motivi

1. problema del raffreddamento con azoto liquido
2. necessità di realizzare centinaia di km di binari speciali

Shangai Transrapid: prima linea commerciale ad alta velocità a levitazione magnetica

TGV: Train à Grande Vitesse

• Primato per treni su rotaie
• Velocità massima: 320 km/h
• Ruote d'acciaio con tecnologia maglev
• Ultimo prototipo sarà il 10% più veloce e più sicuro grazie a:

1. Peso minore con la sostituzione dell'acciaio delle carrozze con il carbonio e il 20% di ruote in meno
2. Maggiore sicurezza perchè le carrozze costituiscono un corpo unico

Italia: "Ironlev"

• Anche nel nostro Paese arriveranno i convogli a levitazione magnetica
• Grazie ai ricercatori della Scuola Universitaria Superiore Sant’Anna di Pisa
• Ironlev: la tecnologia italiana che fa “volare” i treni
• A differenza delle soluzioni già diffuse:

1. prevede solo una modifica della parte inferiore dei treni con pattini Ironlev
2. utilizzabili sui tracciati ferroviari già esistenti
3. senza l’impiego di energia in fase di levitazione

• Idea di applicare nuova tecnologia a:

1. linea intercity
2. miglioramento delle reti municipali
3. sistemi urbani futuristici