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¿Qué son los superconductores y cuándo obtendremos trenes maglev y energía eléctrica ilimitada?

La superconductividad es uno de esos conceptos, como el espín del electrón o la dilatación del tiempo, que parece algo esotérico, pero que, si se domina a través de la tecnología, realmente podría revolucionar el mundo. Es un concepto que ya utilizamos mucho hoy en día, en varias aplicaciones, pero la capacidad de crearlo en entornos cada vez menos hospitalarios podría ser la clave para hacer realidad muchos de los sueños de la ciencia ficción.

¿Qué es la superconductividad? En pocas palabras, la superconductividad es la propiedad de tener cero (no casi cero, no muy cerca de cero, pero cero) resistencia al movimiento de electrones. Es mas que solo realmente muy bajo resistencia, porque para tener una verdadera superconductividad en, digamos, un cable, un extremo de ese cable necesita poder recibir el 100% de la energía puesta en el otro. Esto significa que si bombeamos algo de electricidad a un circuito superconductor cerrado, ese circuito mantendría su carga indefinidamente. Los electrones simplemente darán vueltas y vueltas y vueltas, sin detenerse nunca y nunca perderán parte de su energía por resistencia, interferencia magnética o incluso pérdida de calor.

Una muestra del exótico material superconductor bismuto, estroncio, calcio, óxido de cobre (BSCCO-2223).

Una muestra del exótico material superconductor bismuto, estroncio, calcio, óxido de cobre (BSCCO-2223).

Sin embargo, hay un gran problema con el experimento mental de circuito cerrado: implica que la superconductividad es un estado en el que un material puede simplemente ser. Sin embargo, todos los superconductores actualmente conocidos deben mantenerse activamente en ese estado mediante la entrada de energía; tenemos que mantenerlos por debajo de una cierta temperatura crítica y, a menudo, complementar esto aplicando un campo magnético para eliminar las pocas fuerzas internas restantes. Los umbrales de temperatura son increíblemente bajos y, por lo tanto, increíblemente caros de mantener. El aluminio, por ejemplo, tiene un umbral de temperatura superconductor de 1,2 Kelvin o -271,95 ° C.

La física involucrada es bastante simple o bastante compleja, dependiendo del material. En metales puros o aleaciones de metales simples, la superconductividad se produce básicamente cuando los átomos de ese material se han enfriado (ralentizado) hasta el punto de que los electrones no se dispersan cuando intentan moverse a través de la red de átomos metálicos. Eso es genial, pero detener el movimiento atómico (calor) es muy difícil, como se mencionó. Los materiales más complejos, algunos de los cuales pueden alcanzar una superconductividad por encima de las temperaturas criogénicas, están decididamente dentro del ámbito de la rareza cuántica y tienen que ver con interacciones transitorias entre pares de electrones.

Esto significa que nuestro bucle de energía infinita solo podría existir mientras gastemos una cantidad significativa de energía para mantener el bucle en un estado superconductor, y eso derrota el punto del almacenamiento de energía sin pérdidas, ¿no es así?

El primer cable superconductor del mundo.  Ni siquiera la ciencia de vanguardia puede parecer particularmente avanzada en un sitio de construcción.

El primer cable superconductor del mundo. Ni siquiera la ciencia de vanguardia puede parecer particularmente avanzada en un sitio de construcción.

Las aplicaciones actuales de los superconductores están todas limitadas por sus requisitos de temperatura. Las máquinas de resonancia magnética son increíblemente caras, en gran parte porque requieren sustancias exóticas como el helio líquido para enfriar las bobinas de metal hasta el punto de que pueden conducir suficiente electricidad para crear la fuerza del campo magnético necesaria para reorientar las moléculas del cuerpo humano. Gran parte del impactante gasto del Gran Colisionador de Hadrones provino de la misma fuente. Incluso la investigación sobre la energía de fusión se está ralentizando por el gasto y la dificultad casi increíbles de crear enormes plataformas tokamak magnéticas para el confinamiento del plasma.

Es por eso que nuestro Santo Grial no es la superconductividad, que se ha logrado en todo, desde porcelana súper enfriada hasta diamantes súper enfriados, sino práctico superconductividad. Esto también se conoce como superconductividad de alta temperatura o (para los verdaderamente ambiciosos) superconductividad de temperatura ambiente. El umbral de “alta temperatura” es técnicamente de alrededor de 30K, pero en la conversación en estos días, generalmente está sujeto a las limitaciones de la aplicación del mundo real. Una temperatura alta para un superconductor es, básicamente, cualquier temperatura que los científicos puedan crear por un costo energético aceptable. Si pudiéramos enfriar repentinamente un material superconductor a 29 Kelvin con muy pocos problemas, 29 Kelvin se convertiría efectivamente en una temperatura alta, para nuestros propósitos.

Los trenes Maglev serían la opción lógica en casi todos los casos, si no fuera por lo prohibitivamente caros que son.

Los trenes Maglev serían la opción lógica en casi todos los casos, si no fuera por lo prohibitivamente caros que son.

Pregúntese: ¿Cuáles son las barreras tecnológicas para convertir a África en la batería eléctrica todopoderosa de la humanidad? Hay, en un sentido general, dos. Una es la capacidad de recolectar y almacenar una porción suficientemente grande de la luz solar que cae en ese continente desértico, y la otra es la capacidad de llevar esa energía almacenada en todo el mundo, a los hogares, oficinas y fábricas donde se necesita. Con material superconductor lo suficientemente asequible y lo suficientemente práctico, podríamos enviar nuestros electrones a través del Atlántico. Podríamos convertir las líneas de transporte municipal en trenes bala que levitaban magnéticamente. Los hospitales podrían tener más máquinas de resonancia magnética de las que necesitan y prestar algunas para uso doméstico. En general, podría permitir la aplicación a gran escala de tecnologías que antes solo eran posibles a pequeña escala o en laboratorios especiales bien financiados.

Hoy no estamos ni cerca de esos umbrales. Diferentes estructuras de cristal pueden hacer el trabajo (el diamante funciona, como se mencionó), pero lo que los científicos han descubierto es que pueden lograr los mismos resultados en materiales mixtos complejos, aunque la física de exactamente por qué esto no está clara actualmente. Los mejores superconductores jamás creados son los cupratos, o sustancias que contienen iones de cobre, pero los más avanzados todavía requieren enfriamiento a -140 ° C y son bastante difíciles y costosos de producir.

Un diagrama del funcionamiento interno del cable superconductor en Essen, Alemania.

Un diagrama del funcionamiento interno del cable superconductor en Essen, Alemania.

Eso no quiere decir que no haya habido ningún éxito. Considerando la eficiencia eléctrica simple, que representa una pérdida de aproximadamente 6% de electricidad en la transmisión de energía, la ciudad alemana de Essen instaló recientemente un cable superconductor de un kilómetro de largo para transferir energía de la red. Este cable utiliza nitrógeno líquido para alcanzar una temperatura de trabajo de 60 K o -206 ° C. Eso es muy impresionante, y el uso de nitrógeno líquido para enfriar lo hace al menos algo asequible, pero necesitaremos mucho más para comenzar a reemplazar en masa la infraestructura eléctrica de todo el mundo.

La superconductividad es un área importante de investigación tanto para académicos como para científicos industriales, pero es muy posible que una solución eventual se encuentre primero en una pizarra y luego en el laboratorio.

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