Superconductors. Amb les expectatives congelades?

1990/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

De fred a calor

La levitació magnètica és un dels fenòmens més espectaculars de la superconductivitat. La peça ceràmica refrigerada per nitrogen líquid es manté per levitació de l'imant degut al camp magnètic contrari.

Els físics saben des de fa temps que a una temperatura pròxima al zero absolut (-273 °C) desapareix la resistència elèctrica d'alguns materials. Per a analitzar aquest fenomen s'ha utilitzat l'heli líquid, la temperatura de fusió del qual és de -269 °C. En el camp de la medicina i en altres camps s'han realitzat unes poques sessions amb l'objectiu de desenvolupar l'aplicació industrial dels superconductors, però calia superar les enormes dificultats. Treballar a aquestes temperatures és costós d'una banda i els problemes tècnics per un altre.

En 1986 el panorama va canviar molt. En el centre de recerca d'IBM en Zürich, George Bednorz i Alex Müler van obtenir un material ceràmic superconductor a -238 °C. Gràcies a això, en 1987 van ser guardonats amb el Premi Nobel de Física.

Aquest descobriment va portar als físics a buscar focs i flames la superconductivitat a alta temperatura a tot el món. S'han realitzat nombrosos simposiums i reunions sobre aquest tema, però sens dubte el més important és el realitzat el 18 de març de 1987 per l'associació de físics americans. En un hotel de Nova York es van reunir gairebé quatre mil físics, envoltats de fotògrafs, càmeres de televisió i periodistes. Allí es va declarar que la superconductivitat va superar el límit del nitrogen líquid, que era de -196 °C.

Llavors van sorgir grans esperances i tothom va començar a somiar. Com creien que la superconductivitat a temperatura ambient s'aconseguiria l'endemà, l'energia elèctrica acumulada en grans quantitats, el transport elèctric sense pèrdues, els ordinadors superrápidos, etc. en qualsevol lloc. Tots anunciaven un món governat per superconductors.

Tres anys després, no obstant això, els escalfaments de llavors estan temperats i malgrat els treballs de recerca realitzats en superconductors ceràmics, la marca de la temperatura només ha arribat a -148 °C. Recentment, en la Universitat de Detroit, J. T. El físic Txen ha preparat un material superconductor a -23 °C, però la nova no ha estat confirmada. Per tant, la superconductivitat a temperatura ambient sembla estar bastant lluny.

Tecnologia del nitrogen líquid

Mentrestant, molta gent ha començat a desenvolupar la tecnologia del nitrogen líquid, ja que el pas de la superconductivitat des de la temperatura de l'heli líquid a la temperatura del nitrogen líquid ha facilitat molt les coses. L'heli líquid és car i difícil d'usar, requereix instal·lacions complicades. El nitrogen líquid, per part seva, és quaranta vegades més barat, amb un rendiment 30 vegades superior al de la terrassa i l'heli. No obstant això, en els laboratoris els investigadors estan treballant duro per a aconseguir temperatures més altes per a la superconductivitat. Per tant, no significa que els científics estiguin parats.

Des del punt de vista industrial, el treball és suficient si se solucionen altres problemes que es plantegen en les aplicacions independentment de la temperatura. Els nous materials “a alta temperatura” tenen alguns inconvenients. Encara que els químics els fabriquen amb facilitat en forma de massa cristal·lina, la seva utilitat per a les aplicacions és molt reduïda. És per això que molts laboratoris públics i privats estan treballant per a adaptar aquests materials a les aplicacions industrials.

Superconductivitat en electrònica

En els circuits elèctrics és cada vegada més interessant la transmissió ràpida de senyals. El silici i l'arsenur de gal·li han suposat grans avanços en aquest camp i en l'actualitat un xip quadrat d'un centímetre de longitud té un temps de resposta de 100 picosegundos (100 x 10 ^-12 segons). No obstant això, el temps de resposta en el conjunt dels circuits electrònics és deu vegades major a causa de la gran quantitat de connexions existents. Cada connexió, per petita que sigui, té una resistència elèctrica i solen estar en sèrie, per la qual cosa entre tots disminueixen la velocitat de circulació dels senyals. D'altra banda, l'efecte Joule també produeix calor en les connexions, la qual cosa és perjudicial per al seu funcionament.

Circuits lògics més ràpids reduirien el temps de resposta a un picosegundos, però per a això serien necessaris superconductors d'alta temperatura. En aquests circuits híbrids la part lògica de connexió, formada per memòries semiconductores, estaria formada per superconductors, tot això refrigerat per nitrogen líquid.

En les línies actuals part de l'energia elèctrica es transforma en calor, encara que la tensió de transport sigui alta. Els superherois evitarien aquestes pèrdues de calor i la tensió de transport seria molt baixa.

Però abans els industrials han de dominar la tecnologia de capes fines. A Amèrica, el Japó i Europa s'avança ràpid. A Europa, per exemple, s'han obtingut capes superconductores molt fines en el suport silici de fractura catòdica, d'evaporació ultraràpida o de precipitació per ablació làser, d'un centenar d'etilngström (1 Á = ^{=10 -10} m).

No obstant això, si es vol introduir nous components en el món de l'electrònica cal rebutjar alguns materials actuals, la qual cosa és difícil perquè les grans empreses han realitzat grans inversions en tecnologia del silici.

Superconductivitat en el magnetisme

Un altre camp d'aplicació interessant de la superconductivitat és el magnetisme. Avui dia, per exemple, per a realitzar diagnòstics en medicina o generar energia elèctrica, es necessiten camps magnètics forts. Aquests camps magnètics es generen en grans electroimants en els quals hi ha fils conductors que travessen el corrent elèctric. Per a evitar l'obstacle de la resistència elèctrica dels fils de coure és necessari utilitzar cables de gran diàmetre. Per tant, les bobines no tenen més remei que ser grans en grandària i que consumeixen molta energia.

Els superconductors són la via adequada per a solucionar aquests problemes, però fins ara l'ús de l'heli líquid ha limitat molt les coses. Detector de partícules ALEPH, accelerador de partícules LEP (del CERN de Ginebra), tecnologies per a la medicina de ressonància magnètic-nuclear, etc. fabricats amb bobines superconductores refrigerades per heli. Aquestes bobines estan fabricades amb aliatges de niobi i titani, ja que a baixes temperatures aquests metalls són superconductors. Però és difícil donar forma de fil als superconductors ceràmics. No obstant això, sembla que els japonesos han avançat bastant les seves recerques i pot ser que aviat siguin capaces de fabricar fils de superconductors ceràmics. D'aquesta forma, la superconductivitat a alta temperatura tindrà obertes les portes d'entrada a la indústria.

Els militars també estan molt atents a la superconductivitat en el camp del nitrogen líquid. L'heli líquid no pot utilitzar-se amb avió per problemes d'emmagatzematge i funcionament durant el vol. El nitrogen líquid, en canvi, ja s'utilitza amb avió per a refrigerar les càmeres de detecció per infrarojos.

Emmagatzematge d'energia

Un altre problema que poden resoldre els superconductors és el d'emmagatzematge d'energia elèctrica en grans quantitats. A Amèrica i Alemanya hi ha científics que treballen en projectes per a desenvolupar aquest camp.

Bàsicament es pretén que en una bobina s'emmagatzemi gran quantitat d'energia sense cap pèrdua, per a després utilitzar-la lentament en funció de les necessitats. En ciutats, per exemple, quan el consum es redueix molt a la nit, l'energia s'acumularia en les bobines superconductores i quan el consum augmenta durant el dia la bobina es descarregaria.

D'altra banda, els militars volen aquest tipus de bobines per a la “guerra de les estrelles”. Això es deu al fet que en 100 segons s'emetrien entre 0,4 i 1 gigavatio d'energia (1 gigawatio = 10 ⁹ watts).

No obstant això, els superconductors a alta temperatura, igual que els de temperatura freda, tenen els seus límits. Si el nivell denominat “corrent crític” passa, el material deixa de ser superconductor i mostra el comportament de qualsevol conductor normal. Els superconductors freds d'aliatges de niovio, per exemple, presenten nivells de corrent crític a -269 °C en 10 milions d'amperes per centímetre quadrat i en els superconductors d'alta temperatura d'òxid actuals, el nivell és cent vegades menor de deu.

Transport d'electricitat

Una conseqüència de la superconductivitat serà el tren sense rodes. El tren circularà per l'aire amb levitació magnètica sense contacte amb vísceres ni terra.

Aquests materials, en mancar de resistència elèctrica, transportarien el corrent elèctric a llargues distàncies sense pèrdues. L'efecte Joule fa que les línies de transport perdin entre un 10 i un 15% d'energia convertides en calor.

Per a la realització de línies de superconductor, no obstant això, el sistema de refrigeració hauria d'instal·lar-se per tota la via i el seu cost és de moment incalculable. En aquesta línia, a més, podrien existir riscos importants. Si per avaria del sistema de refrigeració, caiguda del llamp o altres causes s'escalfés qualsevol punt de la línia, deixaria de ser superconductivo immediatament. Per tant, s'escalfaria i es transmetria aquesta calor a l'entorn, afectant finalment a tota la xarxa de transport.

Tren magnètic

El projecte de tren de levitació magnètica és un dels projectes més interessants dels últims temps. El tren es basa en la força de repulsió que interactuen dos pols magnètics iguals. El camp magnètic, per tant, ha de ser prou gran com per a elevar el pes del sòl en centenars de tones. Això només es pot aconseguir mitjançant bobines de superconductor. Japonesos i alemanys són els que fins ara han realitzat assajos de tren magnètic. Per a això han utilitzat heli líquid.

El tren no té rodes i es desplaça en l'aire sense tocar terres. Per això, no poden utilitzar-se en vies normals de carril. Per tant, tota la infraestructura ha de ser nova; viari, estacions d'alimentació elèctrica, etc. No obstant això, el cost del nou ferrocarril és enorme (94% del total del projecte) i els alemanys ja han deixat de desenvolupar el tren magnètic. Els japonesos són actualment els únics que sustenten el projecte.

Les expectatives sobre la superconductivitat l'any 1987 semblen avui dia una mica congelades, però un gran grup d'investigadors està treballant a tot el món i en qualsevol moment donar a conèixer algun altre descobriment meravellós en aquest camp no seria estrany. Les expectatives gelades podrien tornar-se a incandescents.