Abastecimento criogenico do Maglev Cobra

 

Um supercondutor é um tipo de material que, quando resfriado abaixo de determinada temperatura, conhecida como temperatura crítica, apresenta resistência elétrica nula ou não mensurável. O fenômeno da supercondutividade foi descoberto em 1911 pelo físico holandês Heike Onnes ao estudar as propriedades do mercúrio resfriado com hélio líquido. De lá para cá, vários outros materiais supercondutores foram descobertos ou desenvolvidos sinteticamente. Em especial, em 1987, foi criado o óxido de ítrio-bário-cobre (YBa2Cu3O7-y), que transita para o estado supercondutor ao ser resfriado com nitrogênio líquido à pressão atmosférica, ampliando as possibilidades de aplicações de supercondutores.

Na UFRJ, o principal centro de referência sobre o tema é o Laboratório de Aplicações de Supercondutores (Lasup), da Coppe. Fundado em 1998 pelo professor Roberto Nicolsky, o Lasup tem por objetivo a pesquisa e desenvolvimento de dispositivos supercondutores para meios de transporte e sistemas elétricos de potência. O principal projeto do laboratório é o Maglev-Cobra, o conhecido protótipo de trem de levitação magnética da UFRJ.

Em constante aprimoramento, em 2020, o veículo teve duas de suas novas tecnologias protegidas pela Agência UFRJ de Inovação junto ao INPI. Uma delas é um sistema de freios de emergência e de estacionamento. A outra é um método de abastecimento automático de nitrogênio líquido em seus diversos tanques criogênicos.

A criogenia é uma área do conhecimento científico e tecnológico cujas atividades são desenvolvidas em torno dos fenômenos que ocorrem em temperaturas muito baixas. A tecnologia de levitação utilizada no Maglev necessita que as cerâmicas supercondutoras responsáveis pelo fenômeno estejam devidamente refrigeradas a  aproximadamente 196ᵒC negativos. Para que seja possível alcançar e manter essa baixa temperatura, é feito uso de um equipamento denominado levitador, que isola termicamente os supercondutores do meio externo. É este o equipamento a ser abastecido com nitrogênio líquido.

Atualmente, só existem três modelos de veículo de levitação supercondutora. Um alemão, um chinês e o brasileiro. Nos veículos desenvolvidos no exterior, o método de abastecimento dos reservatórios criogênicos é feito à mão e por gravidade, através um funil especial. Também existe um método de abastecimento por pressão, porém ele é realizado de forma individual para cada reservatório. A quantidade de tanques criogênicos varia de projeto para projeto, sendo que o brasileiro é o que possui o maior número desses reservatórios a serem abastecidos. São 24 levitadores ao todo.

Estes recipientes são extremamente sensíveis e caros e por isso mesmo, o abastecimento deve ser realizado de forma extremamente cuidadosa. Pensando nisso, os pesquisadores Richard Magdalena Stephan e Felipe dos Santos Costa (ambos do Lasup) e Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto (do Departamento de Engenharia Mecânica) desenvolveram um método de abastecimento automatizado para o Maglev.

Os detalhes técnicos estão especificados a seguir. Os interessados em obter mais informações sobre a tecnologia devem contactar a Agência.

RESUMO: A presente invenção propõe a automação do sistema de abastecimento de nitrogênio líquido nos diversos tanques criogênicos do equipamento de levitação do veículo Maglev-Cobra, desenvolvido na Universidade Federal do Rio de Janeiro. A tecnologia de levitação supercondutora que é usada nesse veículo necessita que as cerâmicas supercondutoras YBa2Cu3O7-x responsáveis pelo fenômeno estejam devidamente refrigeradas em uma temperatura de aproximadamente -196ᵒC. Para isto, existe um equipamento chamado criostato (ou levitador), o qual isola termicamente os supercondutores do meio externo, sendo exatamente este equipamento que deverá ser abastecido diariamente com nitrogênio líquido.

DESAFIOS E OBJETIVO: A presente invenção trata de um sistema para abastecer de forma simultânea múltiplos tanques criogênicos (chamados de criostatos ou levitadores) necessários para o funcionamento de um veículo de levitação magnética supercondutora. Atualmente, só existem 3 modelos de veículo de levitação supercondutora. Um alemão, um chinês e um brasileiro. Nestes veículos o método de abastecimento dos reservatórios criogênicos é feito à mão e por gravidade utilizando um funil especial. Há também um abastecimento por pressão, porém de forma individual para cada reservatório. Estes recipientes são extremamente sensíveis e caros e por isso o abastecimento é realizado de forma cuidadosa. A quantidade de tanques criogênicos varia de projeto para projeto sendo o brasileiro o que possui o maior número desses reservatórios a serem abastecidos, 24 no total.

SOLUÇÃO: Para a automação do processo de abastecimento são utilizadas válvulas solenoides criogênicas normalmente fechadas para liberar ou bloquear a passagem do fluido na linha; fonte de tensão para a alimentação elétrica de diversos componentes; um reservatório central onde o fluido de trabalho é inicialmente armazenado; tubulações criogênicas termicamente isoladas; válvulas de alívio de pressão; manômetros em diferentes pontos da linha; sensores de temperatura para realimentação do controle detectando o transbordo do líquido e informando quais criostatos foram completamente abastecidos; um PLC ou computador para receber os sinais de todos os sensores de temperatura e comandar as válvulas controlando a lógica do processo e uma IHM (interface homem máquina) para a interação do operador com o sistema de abastecimento para que possa iniciar o processo, escolher a quantidade de criostatos a serem abastecidos e finalizar o processo. Este conjunto de equipamentos permite uma operação mais segura e rápida facilitando o procedimento diário e reduzindo o contato direto do operador com a baixa temperatura.

TITULARES: Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)

INVENTORES: Felipe dos Santos Costa; Fernando Augusto de Noronha Castro Pinto; Richard Magdalena

NÚMERO DO PEDIDO: BR1020200135678

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