¿Cuál es la cantidad más pequeña de He que puedes usar para enfriar un imán superconductor?

Esta es una pregunta de ingeniería, pero está dirigida a los físicos que construyen aceleradores. Esta pregunta: ¿ Un ascensor espacial electromagnético? se da cuenta de que un anillo superconductor de NbSn alrededor del ecuador se pondrá en órbita. La pregunta es si hay suficiente He para enfriar una estructura tan masiva.

¿Cuál es la cantidad mínima de He requerida para mantener una temperatura estable de 4 grados de manera segura a lo largo de un alambre cilíndrico largo? ¿Es necesario usar un fluido, o se puede mantener de manera estable y segura una temperatura estable en el rango de He en un cable muy largo sin refrigerante líquido?

Respuestas (1)

Esta respuesta es solo una estimación de orden de magnitud. La principal incertidumbre proviene del hecho de que para una corriente constante el poder de enfriamiento no está determinado por el alambre superconductor sino por la calidad del aislamiento contra la radiación, convección y conducción de las partes más calientes de la estructura al alambre frío a 4.2K

Podemos usar el anillo LHC como una estimación de cuánto helio podría ser necesario. El CERN utiliza aproximadamente 120 toneladas de helio líquido para enfriar un anillo de 27 km de circunferencia. Para mantener la temperatura constante se utilizan 8 estaciones compresoras, cada una con una potencia de 18kW.

Comparando esto con el diámetro de la tierra llegamos a 177 777 toneladas de helio líquido.

Las estimaciones precisas de las reservas mundiales de helio no están fácilmente disponibles, por lo que uno podría usar los datos de los EE. UU. como una primera suposición. Las reservas actualmente disponibles se estiman en 147 mil millones de metros cúbicos ( Wikipedia ). Como la principal fuente de helio es el gas natural, otras áreas del mundo también tienen grandes reservas, y esto es solo un límite inferior.

Ahora esta cantidad se convierte:

metro a s s H mi = 147 ⋅ 10 9 metro 3 ⋅ 0.18 k gramo / metro 3 = 2.6 ⋅ 10 10 k gramo
que es mucho más que el 1.7 ⋅ 10 8 k gramo necesario para un anillo con especificaciones similares al LHC. Puede reducir en gran medida la cantidad necesaria utilizando refrigeradores de tubo de pulso y relajar un poco las especificaciones al permitir temperaturas ligeramente más altas. Entonces, la conducción a través del propio metal podría ser suficiente para enfriar el cable, ya que los cables de NbSn están incrustados en cobre.

Creo que esta no es una muy buena estimación, ya que Ron pregunta por un cable. El LHC tiene 7600 kilómetros de cable superconductor ( lhc-closer.es/php/index.php?i=1&s=4&p=8&e=1 ) comparable al radio de la tierra ( 6.353km) por lo que falta un factor de dos pi para el periferia y para su estimación de helio del LHC helio, unas 700 toneladas. el problema sería con los contenedores y la electrónica, etc.
@annav: Un cable delgado de NbSn tiene solo 0,006 mm de grosor, la cantidad de helio para enfriar 40000 km de esto es pequeña, un dewar estándar de 100L probablemente sea suficiente, pero esto es muy engañoso. No se puede tener el cable sin la infraestructura de vacío. Entonces, dado el anillo de vacío más grande que tenemos actualmente como ejemplo, parece que tenemos helio más que suficiente.
@Alexander: Esta estimación no es tan terrible, también encontraste una estimación de las reservas de He, que no pude encontrar. El LHC tampoco está minimizando el uso de He, y esta cosa querrá enfriar algo así como 10 cables cada uno de muchos metros de radio. Pero la estimación no es mala, porque si lo sumerge en refrigerante, la pérdida de calor es superficial, no a granel, por lo que la ampliación es aproximadamente correcta.
¿Cuál es la cantidad más pequeña de He que puedes usar para enfriar un imán superconductor?
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