Superconductores. Coas expectativas conxeladas?
1990/09/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
De frío a calor
Os físicos saben desde hai tempo que a unha temperatura próxima ao cero absoluto (-273°C) desaparece a resistencia eléctrica dalgúns materiais. Paira analizar este fenómeno utilizouse o helio líquido, cuxa temperatura de fusión é de -269 ºC. No campo do medicamento e noutros campos realizáronse unhas poucas sesións co obxectivo de desenvolver a aplicación industrial dos superconductores, pero había que superar as enormes dificultades. Traballar a estas temperaturas é custoso por unha banda e os problemas técnicos por outro.
En 1986 o panorama cambiou moito. No centro de investigación de IBM en Zürich, George Bednorz e Alex Müler obtiveron un material cerámico superconductor a -238°C. Grazas a iso, en 1987 foron galardoados co Premio Nobel de Física.
Este descubrimento levou aos físicos a buscar lumes e chamas a superconductividad a alta temperatura en todo o mundo. Realizáronse numerosos simposiums e reunións sobre este tema, pero sen dúbida o máis importante é o realizado o 18 de marzo de 1987 pola asociación de físicos americanos. Nun hotel de Nova York reuníronse case catro mil físicos, rodeados de fotógrafos, cámaras de televisión e xornalistas. Alí declarouse que a superconductividad superou o límite do nitróxeno líquido, que era de -196°C.
Entón xurdiron grandes esperanzas e todo o mundo empezou a soñar. Como crían que a superconductividad a temperatura ambiente alcanzaríase ao día seguinte, a enerxía eléctrica acumulada en grandes cantidades, o transporte eléctrico sen perdas, os computadores superrápidos, etc. en calquera lugar. Todos anunciaban un mundo gobernado por superconductores.
Tres anos despois, con todo, os quecementos de entón están tépedos e a pesar dos traballos de investigación realizados en superconductores cerámicos, a marca da temperatura só chegou a -148°C. Recentemente, na Universidade de Detroit, J. T. O físico Txen preparou un material superconductor a -23°C, pero a nova non foi confirmada. Por tanto, a superconductividad a temperatura ambiente parece estar bastante lonxe.
Tecnoloxía do nitróxeno líquido
Mentres tanto, moita xente comezou a desenvolver a tecnoloxía do nitróxeno líquido, xa que o paso da superconductividad desde a temperatura do helio líquido á temperatura do nitróxeno líquido ha facilitado moito as cousas. O helio líquido é caro e difícil de usar, require instalacións complicadas. O nitróxeno líquido, pola súa banda, é corenta veces máis barato, cun rendemento 30 veces superior ao da terraza e o helio. Con todo, nos laboratorios os investigadores están a traballar duro paira conseguir temperaturas máis altas paira a superconductividad. Por tanto, non significa que os científicos estean parados.
Desde o punto de vista industrial, o traballo é suficiente si soluciónanse outros problemas que se expoñen nas aplicacións independentemente da temperatura. Os novos materiais “a alta temperatura” teñen algúns inconvenientes. Aínda que os químicos fabrícanos con facilidade en forma de masa cristalina, a súa utilidade paira as aplicacións é moi reducida. É por iso que moitos laboratorios públicos e privados están a traballar paira adaptar estes materiais ás aplicacións industriais.
Superconductividad en electrónica
Nos circuítos eléctricos é cada vez máis interesante a transmisión rápida de sinais. O silicio e o arseniuro de galio supuxeron grandes avances neste campo e na actualidade un chip cadrado dun centímetro de lonxitude ten un tempo de resposta de 100 picosegundos (100 x 10 -12 segundos). Con todo, o tempo de resposta no conxunto dos circuítos electrónicos é dez veces maior debido á gran cantidade de conexións existentes. Cada conexión, por pequena que sexa, ten una resistencia eléctrica e adoitan estar en serie, polo que entre todos diminúen a velocidade de circulación dos sinais. Doutra banda, o efecto Joule tamén produce calor nas conexións, o que é prexudicial paira o seu funcionamento.
Circuítos lóxicos máis rápidos reducirían o tempo de resposta a un picosegundos, pero paira iso serían necesarios superconductores de alta temperatura. Nestes circuítos híbridos a parte lóxica de conexión, formada por memorias semiconductoras, estaría formada por superconductores, todo iso refrigerado por nitróxeno líquido.
Pero antes os industriais deben dominar a tecnoloxía de capas finas. En América, Xapón e Europa avánzase rápido. En Europa, por exemplo, obtivéronse capas superconductoras moi finas no soporte silíceo de fractura catódica, de evaporación ultrarrápida ou de precipitación por ablación láser, dun centenar de etilngström (1 Á = =10 -10 m).
Con todo, se se quere introducir novos compoñentes no mundo da electrónica hai que refugar algúns materiais actuais, o que é difícil porque as grandes empresas realizaron grandes investimentos en tecnoloxía do silicio.
Superconductividad no magnetismo
Outro campo de aplicación interesante da superconductividad é o magnetismo. Hoxe en día, por exemplo, paira realizar diagnósticos en medicamento ou xerar enerxía eléctrica, necesítanse campos magnéticos fortes. Estes campos magnéticos xéranse en grandes electroimanes nos que hai fíos condutores que atravesan a corrente eléctrica. Paira evitar o obstáculo da resistencia eléctrica dos fíos de cobre é necesario utilizar cables de gran diámetro. Por tanto, as bobinas non teñen máis remedio que ser grandes en tamaño e que consumen moita enerxía.
Os superconductores son a vía adecuada paira solucionar estes problemas, pero até agora o uso do helio líquido limitou moito as cousas. Detector de partículas ALEPH, acelerador de partículas LEP (do CERN de Xenebra), tecnoloxías paira o medicamento de resonancia magnético-nuclear, etc. fabricados con bobinas superconductoras refrigeradas por helio. Estas bobinas están fabricadas con aliaxes de niobio e titanio, xa que a baixas temperaturas estes metais son superconductores. Pero é difícil dar forma de fío aos superconductores cerámicos. Con todo, parece que os xaponeses avanzaron bastante as súas investigacións e poida que pronto sexan capaces de fabricar fíos de superconductores cerámicos. Desta forma, a superconductividad a alta temperatura terá abertas as portas de entrada á industria.
Os militares tamén están moi atentos á superconductividad no campo do nitróxeno líquido. O helio líquido non pode utilizarse en avión por problemas de almacenamento e funcionamento durante o voo. O nitróxeno líquido, en cambio, xa se utiliza en avión paira refrigerar as cámaras de detección por infravermellos.
Almacenamento de enerxía
Outro problema que poden resolver os superconductores é o de almacenamento de enerxía eléctrica en grandes cantidades. En América e Alemaña hai científicos que traballan en proxectos paira desenvolver este campo.
Basicamente preténdese que nunha bobina almacénese gran cantidade de enerxía sen perda algunha, paira logo utilizala lentamente en función das necesidades. En cidades, por exemplo, cando o consumo redúcese moito pola noite, a enerxía acumularíase nas bobinas superconductoras e cando o consumo aumenta durante o día a bobina descargaríase.
Doutra banda, os militares queren este tipo de bobinas paira a “guerra das estrelas”. Isto débese a que en 100 segundos emitiríanse entre 0,4 e 1 gigavatio de enerxía (1 gigawatio = 10 9 watts).
Con todo, os superconductores a alta temperatura, do mesmo xeito que os de temperatura fría, teñen os seus límites. Se o nivel denominado “corrente crítica” pasa, o material deixa de ser superconductor e mostra o comportamento de calquera condutor normal. Os superconductores fríos de aliaxes de niovio, por exemplo, presentan niveis de corrente crítica a -269°C en 10 millóns de amperios por centímetro cadrado e nos superconductores de alta temperatura de óxido actuais, o nivel é cen veces menor de dez.
Transporte de electricidade
Estes materiais, ao carecer de resistencia eléctrica, transportarían a corrente eléctrica a longas distancias sen perdas. O efecto Joule fai que as liñas de transporte perdan entre un 10 e un 15% de enerxía convertidas en calor.
Paira a realización de liñas de superconductor, con todo, o sistema de refrixeración debería instalarse por toda a vía e o seu custo é polo momento incalculable. Nesta liña, ademais, poderían existir riscos importantes. Si por avaría do sistema de refrixeración, caída do raio ou outras causas quentásese calquera punto da liña, deixaría de ser superconductivo inmediatamente. Por tanto, quentaríase e transmitiríase esa calor á contorna, afectando finalmente a toda a rede de transporte.
Tren magnético
O proxecto de tren de levitación magnética é un dos proxectos máis interesantes dos últimos tempos. O tren baséase na forza de repulsión que interactúan dous polos magnéticos iguais. O campo magnético, por tanto, debe ser o suficientemente grande como paira elevar o peso do chan en centos de toneladas. Isto só se pode conseguir mediante bobinas de superconductor. Xaponeses e alemáns son os que até agora realizaron ensaios de tren magnético. Paira iso utilizaron helio líquido.
O tren non ten rodas e desprázase no aire sen tocar terras. Por iso, non poden utilizarse en vías normais de carril. Por tanto, toda a infraestrutura debe ser nova; viario, estacións de alimentación eléctrica, etc. Con todo, o custo do novo ferrocarril é enorme (94% do total do proxecto) e os alemáns xa deixaron de desenvolver o tren magnético. Os xaponeses son actualmente os únicos que sustentan o proxecto.
As expectativas sobre a superconductividad no ano 1987 parecen hoxe en día algo conxeladas, pero un gran grupo de investigadores está a traballar en todo o mundo e en calquera momento dar a coñecer algún outro descubrimento marabilloso neste campo non sería estraño. As expectativas xeadas poderían volverse a incandescentes.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
