Superconductores. ¿Con las expectativas congeladas?

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

• Materialak

De frío a calor

La levitación magnética es uno de los fenómenos más espectaculares de la superconductividad. La pieza cerámica refrigerada por nitrógeno líquido se mantiene por levitación del imán debido al campo magnético contrario.

Los físicos saben desde hace tiempo que a una temperatura cercana al cero absoluto (-273°C) desaparece la resistencia eléctrica de algunos materiales. Para analizar este fenómeno se ha utilizado el helio líquido, cuya temperatura de fusión es de -269 ºC. En el campo de la medicina y en otros campos se han realizado unas pocas sesiones con el objetivo de desarrollar la aplicación industrial de los superconductores, pero había que superar las enormes dificultades. Trabajar a estas temperaturas es costoso por un lado y los problemas técnicos por otro.

En 1986 el panorama cambió mucho. En el centro de investigación de IBM en Zürich, George Bednorz y Alex Müler obtuvieron un material cerámico superconductor a -238°C. Gracias a ello, en 1987 fueron galardonados con el Premio Nobel de Física.

Este descubrimiento llevó a los físicos a buscar fuegos y llamas la superconductividad a alta temperatura en todo el mundo. Se han realizado numerosos simposiums y reuniones sobre este tema, pero sin duda el más importante es el realizado el 18 de marzo de 1987 por la asociación de físicos americanos. En un hotel de Nueva York se reunieron casi cuatro mil físicos, rodeados de fotógrafos, cámaras de televisión y periodistas. Allí se declaró que la superconductividad superó el límite del nitrógeno líquido, que era de -196°C.

Entonces surgieron grandes esperanzas y todo el mundo empezó a soñar. Como creían que la superconductividad a temperatura ambiente se alcanzaría al día siguiente, la energía eléctrica acumulada en grandes cantidades, el transporte eléctrico sin pérdidas, los ordenadores superrápidos, etc. en cualquier lugar. Todos anunciaban un mundo gobernado por superconductores.

Tres años después, sin embargo, los calentamientos de entonces están templados y a pesar de los trabajos de investigación realizados en superconductores cerámicos, la marca de la temperatura sólo ha llegado a -148°C. Recientemente, en la Universidad de Detroit, J. T. El físico Txen ha preparado un material superconductor a -23°C, pero la nueva no ha sido confirmada. Por lo tanto, la superconductividad a temperatura ambiente parece estar bastante lejos.

Tecnología del nitrógeno líquido

Mientras tanto, mucha gente ha comenzado a desarrollar la tecnología del nitrógeno líquido, ya que el paso de la superconductividad desde la temperatura del helio líquido a la temperatura del nitrógeno líquido ha facilitado mucho las cosas. El helio líquido es caro y difícil de usar, requiere instalaciones complicadas. El nitrógeno líquido, por su parte, es cuarenta veces más barato, con un rendimiento 30 veces superior al de la terraza y el helio. Sin embargo, en los laboratorios los investigadores están trabajando duro para conseguir temperaturas más altas para la superconductividad. Por lo tanto, no significa que los científicos estén parados.

Desde el punto de vista industrial, el trabajo es suficiente si se solucionan otros problemas que se plantean en las aplicaciones independientemente de la temperatura. Los nuevos materiales “a alta temperatura” tienen algunos inconvenientes. Aunque los químicos los fabrican con facilidad en forma de masa cristalina, su utilidad para las aplicaciones es muy reducida. Es por ello que muchos laboratorios públicos y privados están trabajando para adaptar estos materiales a las aplicaciones industriales.

Superconductividad en electrónica

En los circuitos eléctricos es cada vez más interesante la transmisión rápida de señales. El silicio y el arseniuro de galio han supuesto grandes avances en este campo y en la actualidad un chip cuadrado de un centímetro de longitud tiene un tiempo de respuesta de 100 picosegundos (100 x 10 ^-12 segundos). Sin embargo, el tiempo de respuesta en el conjunto de los circuitos electrónicos es diez veces mayor debido a la gran cantidad de conexiones existentes. Cada conexión, por pequeña que sea, tiene una resistencia eléctrica y suelen estar en serie, por lo que entre todos disminuyen la velocidad de circulación de las señales. Por otro lado, el efecto Joule también produce calor en las conexiones, lo que es perjudicial para su funcionamiento.

Circuitos lógicos más rápidos reducirían el tiempo de respuesta a un picosegundos, pero para ello serían necesarios superconductores de alta temperatura. En estos circuitos híbridos la parte lógica de conexión, formada por memorias semiconductoras, estaría formada por superconductores, todo ello refrigerado por nitrógeno líquido.

En las líneas actuales parte de la energía eléctrica se transforma en calor, aunque la tensión de transporte sea alta. Los superhéroes evitarían estas pérdidas de calor y la tensión de transporte sería muy baja.

Pero antes los industriales deben dominar la tecnología de capas finas. En América, Japón y Europa se avanza rápido. En Europa, por ejemplo, se han obtenido capas superconductoras muy finas en el soporte silíceo de fractura catódica, de evaporación ultrarrápida o de precipitación por ablación láser, de un centenar de etilngström (1 Á = ^{=10 -10} m).

Sin embargo, si se quiere introducir nuevos componentes en el mundo de la electrónica hay que desechar algunos materiales actuales, lo que es difícil porque las grandes empresas han realizado grandes inversiones en tecnología del silicio.

Superconductividad en el magnetismo

Otro campo de aplicación interesante de la superconductividad es el magnetismo. Hoy en día, por ejemplo, para realizar diagnósticos en medicina o generar energía eléctrica, se necesitan campos magnéticos fuertes. Estos campos magnéticos se generan en grandes electroimanes en los que hay hilos conductores que atraviesan la corriente eléctrica. Para evitar el obstáculo de la resistencia eléctrica de los hilos de cobre es necesario utilizar cables de gran diámetro. Por lo tanto, las bobinas no tienen más remedio que ser grandes en tamaño y que consumen mucha energía.

Los superconductores son la vía adecuada para solucionar estos problemas, pero hasta ahora el uso del helio líquido ha limitado mucho las cosas. Detector de partículas ALEPH, acelerador de partículas LEP (del CERN de Ginebra), tecnologías para la medicina de resonancia magnético-nuclear, etc. fabricados con bobinas superconductoras refrigeradas por helio. Estas bobinas están fabricadas con aleaciones de niobio y titanio, ya que a bajas temperaturas estos metales son superconductores. Pero es difícil dar forma de hilo a los superconductores cerámicos. Sin embargo, parece que los japoneses han avanzado bastante sus investigaciones y puede que pronto sean capaces de fabricar hilos de superconductores cerámicos. De esta forma, la superconductividad a alta temperatura tendrá abiertas las puertas de entrada a la industria.

Los militares también están muy atentos a la superconductividad en el campo del nitrógeno líquido. El helio líquido no puede utilizarse en avión por problemas de almacenamiento y funcionamiento durante el vuelo. El nitrógeno líquido, en cambio, ya se utiliza en avión para refrigerar las cámaras de detección por infrarrojos.

Almacenamiento de energía

Otro problema que pueden resolver los superconductores es el de almacenamiento de energía eléctrica en grandes cantidades. En América y Alemania hay científicos que trabajan en proyectos para desarrollar este campo.

Básicamente se pretende que en una bobina se almacene gran cantidad de energía sin pérdida alguna, para luego utilizarla lentamente en función de las necesidades. En ciudades, por ejemplo, cuando el consumo se reduce mucho por la noche, la energía se acumularía en las bobinas superconductoras y cuando el consumo aumenta durante el día la bobina se descargaría.

Por otro lado, los militares quieren este tipo de bobinas para la “guerra de las estrellas”. Esto se debe a que en 100 segundos se emitirían entre 0,4 y 1 gigavatio de energía (1 gigawatio = 10 ⁹ vatios).

Sin embargo, los superconductores a alta temperatura, al igual que los de temperatura fría, tienen sus límites. Si el nivel denominado “corriente crítica” pasa, el material deja de ser superconductor y muestra el comportamiento de cualquier conductor normal. Los superconductores fríos de aleaciones de niovio, por ejemplo, presentan niveles de corriente crítica a -269°C en 10 millones de amperios por centímetro cuadrado y en los superconductores de alta temperatura de óxido actuales, el nivel es cien veces menor de diez.

Transporte de electricidad

Una consecuencia de la superconductividad será el tren sin ruedas. El tren circulará por el aire con levitación magnética sin contacto con vísceras ni tierra.

Estos materiales, al carecer de resistencia eléctrica, transportarían la corriente eléctrica a largas distancias sin pérdidas. El efecto Joule hace que las líneas de transporte pierdan entre un 10 y un 15% de energía convertidas en calor.

Para la realización de líneas de superconductor, sin embargo, el sistema de refrigeración debería instalarse por toda la vía y su coste es por el momento incalculable. En esta línea, además, podrían existir riesgos importantes. Si por avería del sistema de refrigeración, caída del rayo u otras causas se calentara cualquier punto de la línea, dejaría de ser superconductivo inmediatamente. Por lo tanto, se calentaría y se transmitiría ese calor al entorno, afectando finalmente a toda la red de transporte.

Tren magnético

El proyecto de tren de levitación magnética es uno de los proyectos más interesantes de los últimos tiempos. El tren se basa en la fuerza de repulsión que interactúan dos polos magnéticos iguales. El campo magnético, por tanto, debe ser lo suficientemente grande como para elevar el peso del suelo en cientos de toneladas. Esto sólo se puede conseguir mediante bobinas de superconductor. Japoneses y alemanes son los que hasta ahora han realizado ensayos de tren magnético. Para ello han utilizado helio líquido.

El tren no tiene ruedas y se desplaza en el aire sin tocar tierras. Por ello, no pueden utilizarse en vías normales de carril. Por tanto, toda la infraestructura debe ser nueva; vial, estaciones de alimentación eléctrica, etc. Sin embargo, el coste del nuevo ferrocarril es enorme (94% del total del proyecto) y los alemanes ya han dejado de desarrollar el tren magnético. Los japoneses son actualmente los únicos que sustentan el proyecto.

Las expectativas sobre la superconductividad en el año 1987 parecen hoy en día algo congeladas, pero un gran grupo de investigadores está trabajando en todo el mundo y en cualquier momento dar a conocer algún otro descubrimiento maravilloso en este campo no sería extraño. Las expectativas heladas podrían volverse a incandescentes.