Pesquisa e Desenvolvimento de Aplicações

da Levitação Magnética Supercondutora

(LEVMAG)

   a) Informações Institucionais

O Projeto LEVMAG é multidisciplinar.Seu conceito é o da gestão coordenada das facilidades existentes na UFRJ e instituições parceiras com o objetivo de desenvolver algumas das aplica-ções da levitação magnética supercondutora do tipo SQL (Superconducting Quantum Levitation). Este Projeto estuda mancais auto-estáveis para máquinas lineares e rotativas, através da construção e operação de protótipos com supercondutores de alta temperatura crítica (ATc) e magnetos permanentes, dispositivos que aplicam os fenômenos da supercondutividade e do magnetismo.

 

a.1) Instituição proponente e executora

A instituição proponente é a UFRJ e a instituição convenente é a FUJB - Fundação Universitária José Bonifácio. A execução é liderada pelo LASUP - Laboratório de Aplicações de Supercondutores, do DEE - Departamento de Eletrotécnica da Escola de Engenharia (EE) da UFRJ, que fará a gestão coordenada das facilidades dos laboratórios parceiros e os testes.São parceiros do LASUP no Projeto:

- Laboratório de Acionamento da própria EE,

- Laboratório de Eletrônica de Potência, do Programa de Engenharia Elétrica da COPPE/ UFRJ, que pesquisa há 8 anos em levitação eletromagnética ativa;

- Laboratório de Cerâmicas, do Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE/ UFRJ, que fará as caracterizações micro-estruturais dos blocos supercondutores de ATc de YBa2Cu3O7-d(YBCO), com microscopia ótica, eletrônica de  varredura e de transmissão, difratometria de raio X, e outras análises de superfície e estruturais;

- Grupo de Supercondutividade Aplicada, do Instituto de Física/ UFRJ, que se dedica há 9 anos às aplicações de supercondutores em eletrônica de Andreev (2 patentes depositadas).

O LASUP dispõe de uma área de 54 m2 dentro do módulo MT-01 no bloco I-2000, no Centro de Tecnologia (CT) da Ilha do Fundão.Parte da infra-estrutura já está concluída: obras civis, piso carga pesada, ar condicionado e iluminação. O restante, instalação elétrica apropriada e mobiliário, estará pronta até o início do projeto.

a.2) Instituições co-executoras

O Centro Tecnológico da Marinha - São Paulo (CTMSP), com 15 anos de pesquisa em levitação eletromagnética ativa para mancais, que ora encontram-se em uso nas instalações doprojeto Aramar, em Iperó, São Paulo, para o estudo da levitação de esfera supercondutora.

E o Laboratório de Supercondutividade do CEPEL/Eletrobras, na mesma Ilha do Fundão, que tem facilidades de caracterização de propriedades magnéticas e elétricas de supercondutores, a temperaturas de He líquido (LHe), ou seja, 4,2K, e tratamentos térmicos adequados.

 

a.3) Cooperações internacionais

O Projeto LEVMAG conta com a importante cooperação técnica do Prof. Herbert Weh, Diretor do IEMAB - Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen, da Technische Universität Braunschweig, de Braunschweig, Alemanha, no projeto do protótipo trilho-veículo e no desenvolvimento da tração linear síncrona. O Prof. Weh é uma autoridade mundial em levitação magnética e tração linear, pesquisando este tema desde a década de 1960. Na fase pré-supercondutores de ATc, o IEMAB desenvolveu as bases da tecnologia Transrapid, o trem de levitação eletromagnética ativa, por atração, que alcança 420 km/h, já homologado e em fase de iniciar a construção da sua primeira linha operacional ligando Berlim a Hamburgo.

Os blocos supercondutores de YBCO, de ATc, refrigeráveis em LN2 serão fabricados no IPHT - Institut für Physikalische Hochtechnologie, de Jena, Alemanha, por fusão texturizada (melt texturing), cujo primeiro lote estará disponível logo no início do Projeto. O IPHT cooperará na caracterização do comportamento magnético e de levitação dos blocos antes e depois dos experimentos, e na análise e interpretação dos resultados.

O Prof. Weh e o Dr. W. Gawalek, do IPHT, estiveram no LASUP em dezembro de 1997, quando foram palestrantes, a convite do Coordenador do Projeto, na III EBS - Escola Brasileira de Supercondutividade: Simpósio Furnas de Aplicações da Supercondutividade em Energia Elétrica.

O Projeto também conta com a valiosa cooperação do ICMAB - Institut de Ciència de Materials de Barcelona, Espanha, no desenvolvimento e construção da instrumentação específica para a caracterização magnética e as medidas de força de levitação dos blocos supercondutores, além do seu estudo, análise e interpretação. O seu Diretor de Pesquisa, Prof. Xavier Obradors, esteve na II EBS, em novembro de 1996, e o pesquisador Dr. Xavier Granados esteve na III EBS, em 1997, como palestrantes, convidados pelo Coordenador deste Projeto. Em fins de julho próximo, o Dr. Granados virá ao LASUP por 3 semanas para detalhamento do projeto do dispositivo de mapeamento do campo magnético remanente e do dispositivo de medida das forças de levitação.

 

b) Termos de Referência Atendidos

O Projeto LEVMAG enquadra-se no SFA nas áreas de magnetismo e supercondutividade, uma vez que tanto o protótipo trilho-veículo de escala reduzida quanto em outros dispositivos de levitação SQL, envolvem blocos de YBCO, de ATc, refrigerados em LN2 e magnetos permanentes. Também será desenvolvido o sistema de tração linear síncrona, seu acionamento e controle.

 

b.1) Projeto de inovação tecnológica e pesquisa aplicada

O projeto propõe-se a pesquisar e desenvolver novas aplicações da levitação magnética do tipo SQL, representando uma inovação efetiva, tanto aplicada em sistemas lineares quanto em mancais de máquinas rotativas. No sistema linear trilho-veículo, em particular, representa uma inovação radical tanto em relação à levitação EML (ElectroMagnetic Levitation), utilizada na tecnologia alemã Transrapid e na japonesa HSST, quanto à EDL (ElectroDynamic Levitation), tecnologia do trem japonês Maglev. Além do grupo IEMAB-IPHT, na Alemanha, também na China está sendo estudado um protótipo semelhante de levitação SQL, com a mesma cooperação alemã, porém utilizando, em um monotrilho, magnetos permanentes de NdFeB, de custo muito mais elevado do que a Ferrite que será utilizada neste Projeto. Nos mancais de máquinas rotativas a proposta é substituir os mancais axiais mecânicos ou magnéticos por mancais auto-estáveis de levitação SQL.

 

b.2) Capacitação técnico-científica

Os Laboratórios de Eletrônica de Potência/de Acionamento da EE/COPPE/UFRJ tem ampla experiência na gestão de projetos de P&D em sua área. O grupo tem tido participação em diversos desenvolvimentos em cooperação com a Petrobras na área de acionamento em tecnologia submarina; em cooperação com o CEPEL nas áreas de conservação de energia elétrica e FACTS (Flexible AC Transmission Systems), tópico em que obteve um PRONEXí96.

Além disso, tem convênio com a Technische Universität Berlin (TUB), da Alemanha, na área de Gerenciamento Energético; e participa de um projeto ALFA, financiado pela Comunidade Euro-péia, na área de Acionamento de Máquinas Elétricas, envolvendo a TUB, a Universidade Politécnica da Catalunya (UPC), Espanha, o Instituto Superior Técnico de Lisboa, Portugal, e a Universidad Nacional de Rio Cuarto, da Argentina.

O Grupo de Supercondutividade Aplicada do IF/UFRJ tem centrado a sua experiência em pesquisa na área de aplicações do espalhamento de Andreev para a formulação de uma nova concepção em dispositivos eletrônicos supercondutores. A partir do ano de 1997 iniciou a sua atuação na área de levitação magnética supercondutora e estabeleceu as cooperações internacionais com o objetivo deste Projeto. Nos últimos 5 anos os seus resultados têm sido:

- 12 trabalhos em publicações internacionais e mais 8 trabalhos submetidos (sendo 2 de levitação SQL, em colaboração com pesquisadores da EE/UFRJ da equipe deste Projeto);

- 14 apresentações em eventos internacionais e nacionais e mais 10 aceitas (4 de SQL);

- 2 patentes de invenção, em eletrônica supercondutora de Andreev, solicitadas ao INPI, através da FUJB/UFRJ;

- realização da II EBSí96 com 147 participantes, e da III EBSí97 com 81 participantes, em parceria com a CBPF/CNPq, CEPEL, EE/UFRJ e Furnas Centrais Elétricas, bem como com o apoio da Acesita - Aços Especiais Itabira, CBMM - Cia. Brasileira de Metalurgia e Mineração, CENPES/Petrobras, CNO - Construtora Norberto Odebrecht, CVRD - Cia. Vale do Rio Doce, Grupo Schneider do Brasil, IBM, Siemens do Brasil, Varig Linhas Aéreas e White Martins Gases Industriais.

 

b.3) Equipe de pesquisadores

Como equipe multidisciplinar, os pesquisadores são 7 físicos da área de supercondutividade aplicada e materiais supercondutores, 8 engenheiros, sendo 6 eletricistas e eletrônicos de acionamento, controles e eletrônica de potência, 1 mecânico e 1 de materiais, e, como colaboradores e consultores, 7 engenheiros de diversas áreas. Todos os pesquisadores da equipe são atuantes e produtivos em suas respectivas áreas, estando entre os principais pesquisadores dessas áreas em cada uma das instituições envolvidas, como se evidencia do respectivo curriculum vitae de cada um (CNCT).

 

b.4) Formação de recursos humanos

O Projeto LEVMAG atenta para a formação de recursos humanos em duas vertentes: via os estudantes de iniciação científica, mestrado e doutorado incorporados ao projeto, e por meio do esforço da criação de uma cultura tecnológica em levitação supercondutora no país através da IV EBS, juntamente com o I Workshop Alemanha-Brasil de Levitação Magnética e Tração Linear, a se realizarem em Angra dos Reis, em abril/maio de 1999, eventos de que participarão a equipe do Projeto e pesquisadores de outras instituições. O mesmo núcleo já realizou a II EBSí96, no CEPEL, e a III EBSí97, em Furnas Centrais Elétricas, e o Coordenador deste Projeto, em 1988, criara e coordenara também a I EBS e a LACHTS - Latin American Conference on High Temperature Superconductivity e a ICTPS - International Conference on Transport Properties of Superconductors, em 1990.

O Projeto LEVMAG reúne 8 estudantes assim distribuidos: 1 de iniciação científica, 4 de mestrado, 3 de doutorado. Os estudantes de mestrado e doutorado estão inscritos na pós-graduação da COPPE, com a exceção de 1 estudante de mestrado do Instituto de Física. A partir do 3o trimestre letivo de 1998, foi criada no PEE - Programa de Engenharia Elétrica da COPPE a disciplina Levitação Magnética e Tração Linear, que será oferecida anualmente. A nova disciplina destina-se à formação dos pós-graduandos do Projeto, mas também cumpre um importante papel de difusão de uma cultura técnico-científica em levitação magnética e tração linear. O PEE tem conceito A da CAPES, para mestrado e doutorado.

 

b.5) Potencial tecnológico

O Projeto LEVMAG é apenas o passo inicial no processo de domínio da tecnologia básica de levitação magnética, em particular a do tipo SQL, para aplicações industriais, metrologia e transporte [1,2]. Nas aplicações industriais, a tecnologia SQL em mancais magnéticos axiais possibilita o desenho de sistemas auto-estáveis passivos [3], combinados ou não em mancais radiais ativos [4,5], para máquinas de elevadas rotações, como, por exemplo, ultracentrífugas (analogamente às de concentração de urânio do projeto Aramar, de Iperó, SP, desenvolvido pelo CTMSP), fly-wheels [6], para armazenamento de energia em sistemas de distribuição, etc. Outro interesse para mancais de levitação é a sua possível aplicação a ambientes de grande assepsia.

Outra área de aplicação que será estudada é a levitação magnética em substituição a colchões de ar em instrumentação e metrologia, como, por exemplo, em mesas para calibração de baixas freqüências, de acelerômetros para navegação inercial, etc, aplicação que poderá vir a ser objeto futuro de estudo do LASUP, após a conclusão deste Projeto, em parceria com o INMETRO. Neste Projeto, primeira etapa dessa aplicação, estamos testando e desenvolvendo um dispositivo de levitação magnética SQL de esfera, em colaboração com o CTMSP, componente de futuros acelerômetro e giroscópio de alta precisão para navegação inercial.

A aplicação da levitação magnética SQL em sistemas com tração linear, possibilita o seu uso em transporte de superfície, com aplicações em transporte industrial em ambientes agressivos ou assépticos, e transporte rápido de carga e/ou passageiros [1,7]. Nesta última área, tanto quanto outras técnicas de levitação magnética, a levitação SQL oferece as seguintes vantagens, se comparada às tecnologia convencionais: 1) o veículo levmag é mais eficiente do que o trem convencional ou o avião para curtas distâncias, pois é mais modulável do que ambos e, além disso, não tem tempos operacionais passivos como os aviões (check-in, taxiamento, check-out, etc.); 2) consome cerca de 30% menos energia por passageiro-km do que o trem convencional, para um trajeto de 400 km a uma velocidade média de 400 km/h, e 60% menos do que o avião para o mesmo trajeto; e 3) tem um horizonte de expansão da velocidade, se o veículo for posto em um tubo a vácuo parcial (projeto Swissmetro), enquanto que o trem convencional não pode passar de 400 km/h (barreira de tração).

 

c) Caracterização do Problema e Justificativas

 

c.1. Viabilização da tecnologia de levitação SQL em sistemas com tração linear

Até 1990 a tecnologia de levitação magnética desenvolvia-se por dois diferentes processos:
 

i. o EML (ElectroMagnetic Levitation), por atração entre eletromagnetos convencionais ou supercondutores, que, por ser intrinsecamente instável, exige uma eletrônica de realimentação do eletromagneto apropriado, operada através de um sensor do entreferro; em máquinas rotativas, é a tecnologia aplicada nas ultracentrífugas de concentração de urânio desenvolvidas pelo CTMSP e em uso no projeto Aramar, em Iperó, SP; é também o processo utilizado nos mancais radiais do motor de indução desenvolvido na UFRJ; a sua aplicação em trens, com tração linear síncrona, pode ser com coletores (baixa velocidade: HSST) ou sem coletores (alta velocidade: Transrapid);

 
ii. o EDL (ElectroDynamic Levitation), por repulsão entre bobinas e/ou ímã móvel e bobinas, aplicável a sistemas lineares com tração síncrona, de alta velocidade, podendo a bobina móvel ser supercondutora para induzir variação de fluxo magnético em bobinas mortas, dispostas ao longo do trilho, gerando assim repulsão pela lei de Lenz; no trem Maglev da Japan Railways que alcançou 550 km/h em 24.12.97 as bobinas são de NbTi com 5 T, refrigeradas em LHe (4,2 K).

 
A levitação magnética pelo processo SQL é muito recente como opção tecnológica pois apenas agora a técnica de fusão texturizada (melt texturing) dos blocos de supercondutores de ATc, propiciou materiais com características de corrente crítica, campo remanente e estabilidade mecânica satisfatórias (figura 3).

 

Figura 1. Conjunto de blocos supercondutores de YBCO fabricados pelo IPHT por fusão texturizada.

 

Mesmo assim, nem todos os laboratórios que utilizam esta técnica têm alcançado parâmetros satisfatórios e, principalmente, um controle de processo de fabricação que propicie a reprodutibilidade das propriedades relevantes. É preciso ainda um apreciável esforço para compreender a dependência da estabilidade e eficiência da levitação magnética SQL com a microestrutura dos blocos supercondutores, os parâmetros do processo de fabricação, tratamentos térmicos e procedimentos de manutenção, bem como a estabilidade mecânica desses blocos com a ciclagem térmica [8-11].

Na MAGLEVí95 - 14th Intíl Conf. on Magnetically Levitated Systems and Linear Drives, havida em Bremen, Alemanha, nos últimos dias de novembro de 1995, o Prof. H. Weh, criador da tecnologia Transrapid, mostrou que o desenvolvimento recente da técnica de fusão texturizada viabilizava a levitação magnética baseada no efeito Meissner incompleto (figura 2). Chamamos, então, o processo de SQL (Superconducting Quantum Levitation), pois decorre de um fenômeno quântico, o estado supercondutor misto, que não está descrito pelas equações da eletrodinâmica, e caracteriza-se pela rede de vórtices ou fluxóides de Abrikosov. [14].

 

 

 
Figura 2. Magneto permanente de NdFeB em levitação SQL sobre um bloco de YBCO em nitrogênio líquido.

 

A essência deste processo é a repulsão, por exclusão (parcial) de fluxo magnético, entre um supercondutor (um diamagneto ideal) e um magneto permanente (ou bobina). O supercondutor deve ser um bloco maciço, sendo indicado o material produzido com YBCO, por fusão texturizada [11,13]. Esse tipo de levitação é auto-estável verticalmente devido à condição de equilíbrio entre a força de levitação e o peso, e tem também estabilidade transversal, baseada na ancoragem (pinning) da rede de vórtices, que gera forças restauradoras quando deformada elasticamente.

O Prof. Weh, como foi acordado em reunião havida no LASUP em dezembro de 1997 após a realização da III EBS/Simpósio Furnas, da qual foi palestrante convidado, enviou-nos em abril último o projeto para um protótipo trilho-veículo, em escala reduzida, dentro de uma nova concepção de trilhos, com magnetos permanentes de Ferrite (fabricada no país) de Ba e/ou Sr, com campo magnético remanente de 0,4 T e uma estimativa de um entre-ferro de 5mm. A figura 5 exibe um corte do protótipo trilho-veículo e a figura 7 mostra a sua vista de topo.

O veículo protótipo de levitação projetado (figura 6, vista de topo) tem capacidade bruta de carga de 30 kg, dimensões de 47,5 cm x 75,0 cm, suspenso por repulsão, com 4 blocos de YBCO, supercondutor de ATc, refrigerados com LN2, de 85 x 95 mm2. O projeto do Prof. Weh é inovador tanto pelo tipo de levitação quanto pelo desenho do trilho em forma-de-telhado (figura 5), para melhorar as condições da estabilidade lateral, o que possibilita testarmos gradientes de até 10% e curva (figura 7). Já é, pois, uma inovação incremental ao teste chinês que utilizou a sua primeira concepção, apresentada em Bremen: um monotrilho plano e um veículo de 35 cm (figura 3).

A construção e operação do protótipo trilho-veículo, em escala reduzida, é a atividade central do Projeto LEVMAG, e a aplicação do mesmo princípio SQL de levitação a outros sistemas constitui as naturais derivações, típicas em desenvolvimentos tecnológicos, que propiciam resultados efetivos a curto prazo. A existência destes resultados é uma condição muito relevante para viabilizar o todo, posto que é necessário ter consciência de que o pleno domínio da tecnologia para a aplicação a sistemas de tração linear exige um tempo consideravelmente maior, para a sua plena maturação, do que o prazo de um único projeto PADCT.

Figura 3. Protótipo monotrilho chinês construído em cooperação com IEMAB/IPHT, exibido em Beijing, fevereiro/março de 1997.

c.2. Aplicações da levitação SQL a máquinas rotativas

O desenvolvimento de outras aplicações da levitação SQL que não envolvam tração linear são particularmente interessantes e promissoras. As máquinas de indução com mancais magnéticos ativos podem usar o próprio enrolamento do estator para manter o nível do entre-ferro através de sensores de correntes parasíticas (eddy currents), cuja eletrônica realimenta as bobinas [4,5]. É a levitação EML. Esta levitação, porém, se aplicada aos mancais axiais exigiria que utilizassem eletromagnetos próprios, o que significaria elevação de custos e ocupação de espaços, pois esses mancais suportam o peso da carga em rotação.

O uso de mancais auto-estáveis SQL elimina a necessidade tanto desses eletromagnetos quanto dos seus sensores e da sua eletrônica de realimentação. A razão é que, como foi visto acima, na levitação SQL há forças restauradoras que asseguram o auto-equilíbrio do mancal. Axialmente, pela repulsão, cresce aproximadamente segundo uma exponencial com a redução da distância entre o magneto e o bloco supercondutor [3]. Os esforços transversais ao eixo de rotação, porém, tem resistência devida ao ancoramento da rede de vórtices em inclusões e defeitos da rede cristalina, gerando, assim, uma força restauradora que se soma à ação dos mancais magnéticos radiais ativos para estabilizar o rotor [15]. O mancal axial SQL representa, portanto, uma ponderável vantagem para uma utilização futura em máquinas rotativas de eixos verticais.

O teste dos motores com mancal axial SQL será a primeira etapa do Projeto, e poderá ser realizada com blocos supercondutores da contrapartida, pois no início do Projeto disporemos de 10 blocos do IPHT, 2 bloco do ICMAB e 1 do ISTEC (Intíl Superconductivity Technology Center, Tóquio, Japão). 

c.3. Aplicações da levitação SQL a instrumentação de navegação inercial

Outra aplicação da levitação SQL cujo estudo será iniciado neste Projeto é a sua aplicação em instrumentação de navegação inercial, particularmente, na construção de acelerômetros e giroscópios de alta precisão. Nestas aplicações, a levitação substitui com vantagem o colchão de ar que introduz vibrações inconvenientes. A mesma substituição pode ser viável para as mesas a ar utilizadas para calibração de acelerômetros, excitadores de baixas freqüências, etc. Esta parte do projeto será desenvolvida em colaboração estreita com o CTMSP, e com a observação de técnico da área de vibrações do INMETRO.

Este componente do Projeto inicia-se pelo controle da levitação de uma esfera supercondutora. O dispositivo de levitação consiste em uma esfera supercondutora e duas bobinas convencionais, uma para gerar o campo magnético para a levitação SQL e a outra atuando como sensor de indutância. A alteração da indutância com o deslocamento da bobina de sua posição de equilíbrio pela ação de uma força, possibilita a leitura da aceleração. Um sistema semelhante é utilizado no Instituto de Física/UFRJ como sensor da transição estado normal-supercondutor. Como a levitação SQL é auto-estável, a presença de uma aceleração acarretará o desvio da esfera de sua posição de equilíbrio, possibilitando que uma eletrônica apropriada faça a leitura da aceleração. O controle da posição da esfera é o pré-requisito para o desenvolvimento futuro de um giroscópio de alta precisão para a navegação inercial.

A pesquisa e desenvolvimento de aplicações da levitação do tipo SQL tem por motivação básica o caráter de inovação radical que esta forma de levitação representa para muitas situações, e até mesmo para a levitação convencional baseada na eletrodinâmica clássica. O estudo desta aplicação dos supercondutores de ATc também representa um interessante desafio para a equipe, pois, sendo uma área multidisciplinar, exige um crescente grau de integração da equipe e troca de conhecimentos e cultura, o que parece ser o espírito do SFA, ao exigir participação de físicos e engenheiros. Ao mesmo tempo, expressa uma ampliação da própria área de trabalho de todos os grupos envolvidos, pois há novos desafios para cada um.

Há um outro aspecto não menos relevante. A constante busca do domínio progressivo de novas tecnologias é condição fundamental para o nosso desenvolvimento tecnológico enquanto país. Não podemos nos omitir a esse desafio, principalmente quando as novas tecnologias oferecem soluções para reais demandas da sociedade e seu setor produtivo e desafios para os seus pesquisadores.