Mezcla de metales para mejorar el rendimiento

Shreyas Balachandran de Jefferson Lab está siendo honrado por sus avances para convertir las aleaciones de niobio en piezas de aceleradores de última generación

DOE/Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson

imagen: Shreyas Balachandran ha sido elegido para recibir el premio a la excelencia en materiales criogénicos del ICMC, que se otorga anualmente a una persona menor de 40 años que haya demostrado innovación, impacto y reconocimiento internacional por su trabajo en el avance del conocimiento de los materiales criogénicos.ver más

Crédito: Laboratorio Jefferson del DOE: AIleen Devlin

NEWPORT NEWS, VA – Una fascinación adolescente con los metales ha llevado a un prestigioso premio de inicio de carrera para un científico de materiales de radiofrecuencia superconductora (SRF) en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU.

Shreyas Balachandran ha sido elegido para recibir el premio ICMC Cryogenic Materials Award for Excellence, que se otorga anualmente a una persona menor de 40 años que haya demostrado innovación, impacto y reconocimiento internacional por su trabajo en el avance del conocimiento de los materiales criogénicos.

"Es bueno ser reconocido por lo que haces, pero es un testimonio de las personas que creyeron en ti y te dieron una oportunidad", dijo Balachandran. "He tenido excelentes mentores a lo largo de todo mi viaje. Y veo este premio como un reconocimiento a todos los que han estado involucrados en todo el trabajo que he hecho".

La investigación de Balachandran se centra en gran medida en el niobio, que, entre otras aplicaciones, se utiliza para fabricar cavidades superconductoras para aceleradores de haces de partículas, incluida la potente instalación aceleradora de haces de electrones continuos de Jefferson Lab, o CEBAF. CEBAF es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE que es el hogar de investigación de más de 1850 físicos nucleares en todo el mundo.

Las cavidades de niobio constituyen la columna vertebral de un acelerador. Están alojados en una cadena de criomódulos y superenfriados con helio líquido a aproximadamente 2 Kelvin, o -456 Fahrenheit, para anular la resistencia normal y acelerar los electrones a medida que pasan a casi la velocidad de la luz, entregando haces para experimentos.

El niobio es crítico para los aceleradores de partículas para la investigación científica y en el descubrimiento de materiales, el tratamiento médico y la remediación ambiental. Los científicos e ingenieros trabajan constantemente para ajustar el rendimiento del metal mejorando su procesamiento o combinándolo con otros elementos, como titanio, nitrógeno, estaño y aluminio para crear aleaciones y estructuras más eficientes, duraderas y superconductoras.

El trabajo de Balachandran incluye el desarrollo de una nueva aleación de niobio-tantalio-hafnio con aplicaciones para cables superconductores de próxima generación. Actualmente está experimentando con Nb3Sn, un compuesto de niobio-estaño que se superconduce a una temperatura más alta que el niobio puro, lo que eliminaría la necesidad de crioplantas masivas y costosas y podría convertirse algún día en un punto de inflexión en los aceleradores de alta energía. Si bien el Nb3 Sn es más frágil que el niobio, podría eliminar la necesidad de grandes y costosas instalaciones de refrigeración criogénica para enfriar las cavidades del acelerador de partículas. Eso lo convertiría en un cambio de juego para los aceleradores de partículas de alta energía.

Un detective en metalurgia

Balachandran nació y se crió en Bangalore, en el sur de la India. Su interés en los metales se despertó durante una competencia en la escuela secundaria, lo que lo llevó a devorar libros de nivel universitario sobre metalurgia. Continuó mientras obtenía su licenciatura en ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería RV en India y en la Universidad Texas A&M en College Station, donde obtuvo su maestría y doctorado. Su tesis doctoral fue sobre "Desarrollo de microestructuras en niobio a granel después de una deformación plástica severa y recocido".

Con una subvención de administración de aceleradores del DOE, realizó un trabajo posdoctoral en el Centro de Superconductividad Aplicada en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (MagLab) en la Universidad Estatal de Florida en Tallahassee de 2015 a 2018. Su investigación incluyó el desarrollo de materiales de niobio de alta pureza para superconductores. Aplicaciones SRF para aceleradores lineales.

De 2018 a 2022, Balachandran se unió a la facultad de investigación visitante de MagLab. Allí, desarrolló la aleación de niobio-tantalio-hafnio, que podría convertirse en alambres finos duraderos para imanes de investigación de alta potencia capaces de transportar alrededor de 1500 amperios por milímetro cuadrado (a 4 Kelvin, 16 Tesla). Esto es muy superior al cobre, considerado un excelente conductor de electricidad, clasificado en 1-5 amperios por milímetro cuadrado. La aleación ahora está disponible comercialmente en los EE. UU. y Japón.

Balachandran y sus colegas también realizaron una autopsia de fallas causadas por el ensamblaje de imanes durante la actualización del Gran Colisionador de Hadrones de alta luminosidad en el CERN en Suiza. Después de verificar de forma independiente la causa de las fallas de los conductores y, por lo tanto, las fallas de los imanes, el CERN continuó con su actualización.

"Me atrae fácilmente averiguar por qué sucede algo", dijo Balachandran. "Somos casi como un detective tratando de averiguar por qué los materiales hacen lo que hacen".

Balachandran colabora con Jefferson Lab desde 2015 para mejorar el rendimiento del niobio. Se incorporó como científico de materiales en 2022 para avanzar en la investigación y el desarrollo de cavidades superconductoras más eficientes para CEBAF a través de nuevas técnicas de procesamiento, recubrimientos o materiales.

Las cavidades hechas de niobio-estaño, por ejemplo, podrían funcionar tan bien como las de niobio, pero a 4 Kelvin en lugar de 2 Kelvin. Esta diferencia requeriría mucho menos espacio en el piso utilizando un enfriador criogénico para alcanzar temperaturas superconductoras en lugar de una crioplanta masiva alojada en un edificio de varios pisos.

"Básicamente, puede reducir todo el sistema a un tamaño manejable", dijo Balachandran. "Entonces, puede tener máquinas más pequeñas y eficientes que produzcan rayos con la misma energía. Esa es la dirección hacia la que se dirige toda esta tecnología. Y hay mucho trabajo emocionante por delante para llegar allí", dijo.

El premio a la excelencia en materiales criogénicos de ICMC se entregará el 11 de julio en la conferencia anual del grupo en Honolulu, Hawái. Viene con un premio en efectivo y una invitación para que Balachandran haga una presentación sobre su investigación.

Por Tamara Dietrich

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