Levitación magnética sin fuentes de energía externa, ¿este es el futuro del transporte?

Los científicos japoneses están investigando materiales levitantes: sustancias que pueden mantenerse suspendidas en una posición estable sin necesidad de contacto físico o soporte mecánico.

La levitación magnética es una tecnología que utiliza poderosos campos magnéticos para suspender y propulsar vehículos, principalmente trenes, por encima de las vías. A diferencia de los trenes convencionales, no hay contacto físico con la vía. La levitación magnética pasiva reduce la fricción y aumenta la eficiencia permitiendo alcanzar velocidades mucho más altas.

Hay tres sistemas de transporte muy conocidos que emplean esta tecnología. El Hyperloop: está basado en tubos sellados y alcanza velocidades superiores a 1.000 km/h. El Maglev puede ir a más de 600 km/h y requiere vías especiales para generar el campo magnético. El IronLev utiliza las vías ferroviarias ya existentes en Europa, sin necesidad de nuevas infraestructuras.

Prescindiendo de la energía externa para desafiar a la gravedad

La levitación magnética más común es la que se produce por los campos magnéticos. Es posible hacer que objetos como superconductores o materiales diamagnéticos (materiales que se repelen ante un campo magnético) floten sobre imanes. Una tecnología que, además de en el transporte, tiene otra aplicación en el desarrollo de sensores avanzados con aplicaciones tanto científicas como cotidianas.

Al frente de la Unidad de Máquinas Cuánticas del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), el profesor Jason Twamley, apoyado por un equipo de colaboradores internacionales, ha creado una plataforma flotante en el vacío utilizando grafito e imanes. Sorprendentemente, esta plataforma levitante opera sin necesidad de energía externa lo que permite el desarrollo de sensores ultrasensibles para mediciones altamente precisas y eficientes.

Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista Applied Physics Letters. Cuando se aplica un campo magnético externo a materiales ‘diamagnéticos’, estos generan un campo magnético en dirección opuesta, lo que da como resultado una fuerza repulsiva. Por lo tanto, los objetos hechos de materiales diamagnéticos pueden flotar sobre campos magnéticos fuertes. Un ejemplo de esto es la tecnología utilizada en los trenes Maglev, donde potentes imanes superconductores crean un campo magnético con materiales diamagnéticos para lograr la levitación, aparentemente desafiando la gravedad.

Los desafíos de la levitación ‘casi’ infinita

Los investigadores del OIST se propusieron crear una plataforma que flote y oscile sin perder energía. Esto significa que, una vez puesta en movimiento, continuará oscilando durante un período prolongado, incluso sin necesidad de energía adicional. Este tipo de plataforma sin fricción podría tener diversas aplicaciones (entre ellas el transporte) aunque por ahora se emplea en nuevos tipos de sensores para medir la fuerza, la aceleración y la gravedad.

El grafito, que es la forma cristalina del carbono (la de las minas de los lapiceros), muestra una fuerte repulsión hacia los imanes (que son altamente diamagnéticos). Mediante un proceso químico se recubrió un polvo de perlas microscópicas de grafito con sílice y se mezcló con cera, los investigadores lograron crear una placa cuadrada delgada de un centímetro que flota sobre imanes dispuestos en forma de cuadrícula.

Crear una plataforma flotante que no requiera energía externa presenta varios desafíos. El principal obstáculo es la ‘amortiguación de vórtices’, que ocurre cuando un sistema oscilante pierde energía con el tiempo debido a fuerzas externas. Cuando un conductor eléctrico, como el grafito, atraviesa un campo magnético potente, experimenta una pérdida de energía debido al flujo de corriente eléctrica. Esta pérdida de energía ha impedido el uso de la levitación magnética para desarrollar sensores avanzados.

No obstante, aunque los científicos logren reducir la amortiguación de los vórtices, se enfrentan otro desafío: minimizar la energía cinética de la plataforma oscilante. La reducción de esta energía es crucial por dos motivos. En primer lugar, aumenta la sensibilidad de la plataforma para su aplicación como sensor.

En segundo lugar, enfriar su movimiento hacia el régimen cuántico (donde dominan los efectos cuánticos) podría abrir nuevas posibilidades para mediciones de precisión. Por lo tanto, para lograr una plataforma flotante verdaderamente autosuficiente y sin fricción, es necesario resolver tanto los desafíos de la amortiguación de vórtices como los de la energía cinética.

Para resolver estos desafíos, los científicos se enfocaron en desarrollar un nuevo material derivado del grafito. Mediante modificaciones químicas, transformaron el grafito en un aislante eléctrico, lo que detiene las pérdidas de energía y permite que el material levite en el vacío.

Los científicos observaron constantemente el movimiento de la plataforma. Utilizando esta información en tiempo real, aplicaron una fuerza magnética de retroalimentación para reducir el movimiento de la plataforma, esencialmente enfriándolo y ralentizándolo de manera significativa tal y como lo explican en su comunicado oficial.

El calor induce movimiento, pero al monitorear continuamente y proporcionar retroalimentación en tiempo real mediante acciones correctivas, es posible reducir este movimiento. La retroalimentación ajusta la tasa de amortiguación del sistema, que es la rapidez con la que pierde energía. Al controlar activamente la amortiguación, se logra reducir la energía cinética del sistema, enfriándolo de manera efectiva.

“Si se enfría lo suficiente, nuestra plataforma levitante podría superar incluso a los gravímetros atómicos más sensibles desarrollados hasta la fecha”. Estos instrumentos utilizan el comportamiento de los átomos para medir con precisión la gravedad, pero lograr este nivel de precisión requiere una ingeniería rigurosa para aislar la plataforma de perturbaciones externas como vibraciones, campos magnéticos y ruido eléctrico. “Nuestro trabajo continuo se centra en perfeccionar estos sistemas para desbloquear todo el potencial de esta tecnología”.

Fuente: hibridosyelectricos.