Progetto SURE: la realizzazione di un cavo superconduttore italiano a zero perdite per i data centre del futuro

Trasportare grandi quantità di energia elettrica senza perdite e con un ridotto impatto ambientale. È questa la sfida del progetto SURE, che unisce le competenze dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) nella ricerca di frontiera con gli acceleratori di particelle e l'esperienza di ASG Superconductors nella progettazione e produzione di magneti, cavi e sistemi superconduttivi. L'obiettivo è realizzare un cavo superconduttore in diboruro di magnesio (MgB₂) capace di rispondere a una delle principali criticità dei data centre di nuova generazione: coniugare la crescente domanda di potenza elettrica richiesta, in particolare, dalle applicazioni di intelligenza artificiale con efficienza energetica e sostenibilità ambientale.

SURE (acronimo di SUperconducting – REliability & Efficiency) nasce da un accordo siglato da ASG Superconductors e INFN, impegnato con il laboratorio INFN-LASA (Laboratorio Acceleratori e Superconduttività Applicata) di Milano, che guida il progetto, e i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) dell'INFN. Il progetto è finanziato dal Ministero dell'Università e della Ricerca (MUR) attraverso il Fondo Italiano per le Scienze Applicate (FISA), con un finanziamento complessivo di 5,8 milioni di euro nell'arco di cinque anni e conclusione prevista nel 2031.

SURE è un'iniziativa di trasferimento tecnologico che si sviluppa dai risultati del progetto IRIS, finanziato dal MUR con fondi PNRR, che sta portando alla realizzazione di un prototipo di un cavo superconduttivo da 1GW per il trasporto più efficiente di grandi potenze elettriche.

«SURE è un esempio virtuoso di trasferimento tecnologico dalla ricerca all'industria», sottolinea Antonio Zoccoli, presidente dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. «Le tecnologie sviluppate dall'INFN per la fisica di frontiera trovano oggi una nuova applicazione in un settore strategico come quello dei data centre, il cui fabbisogno energetico è destinato a crescere con lo sviluppo dell'intelligenza artificiale e del calcolo ad alte prestazioni. Inoltre, possono essere impiegate anche in molti altri ambiti caratterizzati da elevati consumi energetici. Progetti come questo dimostrano come la ricerca possa contribuire a realizzare infrastrutture più efficienti e sostenibili, favorendo al tempo stesso l'innovazione e rafforzando la competitività del Paese».

Davide Malacalza, Presidente di ASG Superconductors, ha dichiarato: «Investiamo da anni nello sviluppo della tecnologia dei cavi superconduttivi in diboruro di magnesio (MgB₂), una soluzione che consente di trasportare quantità significativamente maggiori di energia in spazi ridotti. Siamo orgogliosi che questa iniziativa, destinata a supportare l'evoluzione dei data centre, nasca in Italia e rappresenti un esempio virtuoso di collaborazione tra industria e ricerca, grazie alla partnership con l'INFN, per rispondere a una sfida strategica di rilevanza globale».

La tecnologia

SURE prevede la progettazione, la realizzazione e l'installazione di un cavo superconduttivo (che funziona come linea elettrica) destinato ad alimentare il nuovo data center dei Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN, realizzato grazie ai finanziamenti del PNRR assegnati al Centro Nazionale di ricerca in HPC, big data e quantum computing ICSC.

Il cuore della linea è costituito da un cavo in diboruro di magnesio, un materiale superconduttore innovativo scoperto nel 2001 e sviluppato da ASG anche grazie alle competenze maturate nell'ambito di HiLumi-LHC, il programma di potenziamento del Large Hadron Collider del CERN.

A differenza dei superconduttori impiegati nei grandi acceleratori di particelle, che richiedono il raffreddamento con elio liquido a circa 2 kelvin, il cavo sviluppato nell'ambito di SURE utilizza diboruro di magnesio, un materiale che opera a circa 20 kelvin (-253 gradi Celsius) riducendo il costo di raffreddamento di oltre dieci volte. Questa temperatura può essere raggiunta mediante sistemi criogenici a ciclo chiuso, già ampiamente utilizzati in applicazioni industriali, rendendo la tecnologia più semplice da integrare e più adatta a un impiego continuativo nelle infrastrutture energetiche dei data centre.

«La tecnologia che stiamo sviluppando consente di trasportare grandi quantità di energia in modo efficiente e sostenibile, integrandosi naturalmente con sistemi di produzione da fonti rinnovabili. L'obiettivo è contribuire a rispondere alla crescente domanda energetica dei data centre di nuova generazione, riducendone l'impatto ambientale», commenta Marco Statera, ricercatore del LASA-INFN e responsabile del progetto SURE.

Marco Nassi, Amministratore Delegato di ASG Superconductors, ha aggiunto: «Il progetto SURE avvicina l'applicazione dei cavi superconduttivi ai data centre, un settore legato all'Intelligenza Artificiale con domanda di energia elettrica in crescita esponenziale. Questa innovazione consente di trasportare fino a dieci volte più energia, a parità di dimensioni, rispetto alle tecnologie di cavo tradizionali. Inoltre, il superconduttore ad alta temperatura MgB2 è sviluppato e prodotto in Italia e non richiede l'impiego di terre rare».

Cavi superconduttori e data centre

Il progetto SURE punta a dimostrare, attraverso il sito pilota dei Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN, come la tecnologia dei cavi superconduttivi possa rappresentare una soluzione efficace per l'alimentazione delle infrastrutture digitali dedicate all'intelligenza artificiale, comprendenti server, sistemi di storage e reti ad alta capacità.

I cavi superconduttivi operano a temperature criogeniche. A queste temperature materiali come il diboruro di magnesio consentono il trasporto di quantità di energia molto superiori, a parità di ingombro, rispetto ai cavi convenzionali, eliminando le perdite dovute alla resistenza elettrica. La superconduttività permette infatti il passaggio della corrente elettrica in condizioni di resistenza praticamente nulla.

La tecnologia MgB₂, sviluppata e prodotta interamente in Italia da ASG Superconductors, è facilmente applicabile a cavi e si distingue per l'assenza di dissipazione di calore lungo il cavo durante il funzionamento insieme alla facilità di cablatura e di connessione elettrica. Questa caratteristica, insieme alla disponibilità di sistemi criogenici industriali in grado di mantenere la temperatura operativa di circa 20 kelvin, rende il diboruro di magnesio una soluzione particolarmente promettente per le infrastrutture digitali di nuova generazione. Inoltre, la produzione di questo superconduttore avviene senza utilizzo di terre rare e con "filiera corta".

Sostenibilità e impatto ambientale

L'impiego di cavi superconduttivi consente inoltre di ridurre gli ingombri fino a un fattore dieci rispetto ai cavi tradizionali o alle convenzionali busway impiegate nelle sale dati. Questa maggiore densità di potenza permette di ottimizzare gli spazi e di semplificare la progettazione delle infrastrutture elettriche. In SURE, il sistema sarà inoltre progettato per rendere disponibile una capacità di trasporto superiore alle esigenze iniziali del data centre, rendendo l'infrastruttura predisposta a futuri ampliamenti della capacità di calcolo e dei relativi fabbisogni energetici. Oggi, infatti, una quota significativa degli investimenti necessari per la realizzazione di un data centre deve essere ripetuta dopo pochi anni per adeguare gli impianti elettrici alla rapida crescita della capacità di calcolo e dei relativi fabbisogni energetici. Una rete di alimentazione superconduttiva potrà contribuire a ridurre questi interventi, aumentando la flessibilità dell'infrastruttura e migliorandone la sostenibilità nel lungo periodo.

Inoltre, grazie all'elevata densità di potenza e alla maggiore compattezza dei cavi superconduttivi si aprono nuove prospettive per la realizzazione e l'espansione dei data centre in aree densamente urbanizzate o caratterizzate da vincoli infrastrutturali, dove l'impiego delle tecnologie tradizionali risulta più complesso o non possibile.

Il contributo di ASG e le caratteristiche del cavo superconduttivo

Nell'ambito di SURE, ASG Superconductors svolgerà un ruolo strategico occupandosi, in collaborazione con il personale tecnico e di ricerca dell'INFN, delle attività di progettazione, produzione e installazione del cavo prototipo che avrà le seguenti caratteristiche tecniche: lunghezza 50 m, potenza 0,6 MW, parte superconduttiva 1500A a 400V.

Il contributo dell'INFN

Per L'INFN al progetto SURE lavorano ricercatori e ricercatrici del laboratorio LASA di Milano e dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF). Il Laboratorio Acceleratori e Superconduttività Applicata (LASA) è un'infrastruttura per lo sviluppo di tecnologie di frontiera nel campo degli acceleratori, dei magneti e delle loro applicazioni con sede a Milano. Al LASA si progettano e realizzano tecnologie per la superconduttività, la criogenia e la produzione di campi magnetici. Qui è nato il progetto IRIS che ha portato allo sviluppo del primo prototipo di cavo superconduttivo da 1GW.

Il LASA studia l'utilizzo di tecnologie superconduttive per aumentare la sostenibilità di infrastrutture di ricerca e di applicazioni industriali, tra cui le linee superconduttive per trasporto di energia. Nell'ambito di SURE il LASA organizza il progetto, supervisiona le scelte tecniche e misura le proprietà del conduttore di nuova generazione nei propri laboratori.

Costruiti nel 1955, i Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) sono stati la prima struttura di ricerca italiana per lo studio della fisica nucleare e subnucleare con macchine acceleratrici e sono il più grande laboratorio dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Oggi, questi laboratori sono all'avanguardia in vari settori della fisica e nelle sue applicazioni. Sono la sede italiana di EUPRAXIA, un'infrastruttura europea distribuita per lo sviluppo di acceleratori al plasma ultracompatti per applicazioni industriali, mediche e di ricerca di base.

I LNF si occupano dell'integrazione della linea superconduttiva per garantirne la funzionalità e la compatibilità con tutte le altre attività scientifiche e supervisionano il funzionamento del sistema progettato, ricavando informazioni fondamentali sull'affidabilità delle linee superconduttive collegate alla rete elettrica, ottimizzandole per l'utilizzo su larga scala.