Superconductivitat

Alguns descobriments relacionats amb la superconductivitat i premiats amb el Nobel (1)(4)(5):

La cursa per arribar al zero absolut de temperatura, disputada en el canvi de segle, va portar al descobriment de corrents elèctriques que fluïen sense resistència. Però no va ser una casualitat, sinó el resultat d’una ben dissenyada experimentació.
El 1911 Kamerlingh Onnes, intentava assolir el zero absolut, o la temperatura més baixa possible. Per això utilitzava el conegut efecte de que si s’expansiona un gas en un recinte aïllat de la calor, s’aconsegueix un refredament del propi gas. Treballant amb gas heli (el del globus de fires) i per successives expansions i per tant, refredaments, va arribar a liquar-lo, fer-lo líquid, a la temperatura de 4,22 K (-269 ºC). Fins i tot rebaixant aleshores la pressió, va aconseguir baixar fins 1,5 K (-271,7 ºC), la temperatura més baixa aconseguida mai.
D’altra banda era conegut l’efecte de la temperatura sobre la resistència elèctrica dels conductors (els metalls): quan baixa la temperatura, disminueix la resistència.
Lord Kelvin opinava que, baixant la temperatura, el flux d’electrons es detindria en arribar al zero absolut, els electrons quedarien “congelats” en el seu lloc, la resistència es faria infinita. Onnes i altres opinaven el contrari, que la resistència del metall a la circulació dels electrons que anava baixant amb la temperatura, acabaria sent zero.
Per fer els assaigs de resistència elèctrica dels metalls, Onnes decidí treballar amb mercuri, ja que volia un metall molt pur i el mercuri es podia purificar amb facilitat per successives destil·lacions. El resultat va ser que, a la temperatura de l’heli líquid, la resistència del mercuri desapareixia completament. Quan la temperatura tornava a pujar fins als 4,2 K, la resistència reapareixia sobtadament.
El 1913, Heike Kamerlingh Onnes va ser guardonat amb el Nobel, segons l’organització, “per les seves investigacions referents a les propietats de la matèria a baixes temperatures, que permetia entre d’altres, la producció d’heli líquid”. Van posar l’accent en les baixes temperatures, més que en la superconductivitat, que era un descobriment absolutament nou i desconegut.

Durant molts i molts anys, el cas va quedar com una curiositat. Apareixia als llibres de física en un raconet, com volen dir, aquí us presentem aquest fet, molt interessant, però que ben be no serveix per res. Les baixíssimes temperatures de la seves aplicacions el feien pràcticament inservible.

Però la ciència continuava avançant. I sempre que hi ha un fet que contradiu la teoria o no s’explica, com aquest cas, representa un repte que més tard o més d’hora cal superar.

El 1957, Bardeen, Cooper i Schrieffer, aplicant la teoria quàntica, donen una explicació al fenomen de la superconductivitat. La teoria anomenada BCS, per les inicials dels tres, explica que, en condicions de superconductivitat, a temperatures inferiors a uns 30 K, els electrons de conducció formen parells (els parells de Cooper), que s’integren tots en un estat d’energia mínima, que els permet avançar a través de la xarxa metàl·lica pràcticament sense resistència. El fet és que no es pot desfer només un d’aquests parells, sinó que s’ha de desfer tot el conjunt i s’ha de fer una aportació d’energia considerable que ha d’excedir un cert valor, el que correspon a la temperatura crítica. Només quan s’arriba a aquesta temperatura crítica, és a dir, es fa l’aportació d’energia necessària, el metall perd la propietat de superconductivitat i es torna a comportar com un conductor normal.

El 1972, John Bardeen, Leon Neil Cooper i John Robert Schrieffer, reben el Nobel per “haver desenvolupat la teoria que permet explicar el fenomen de la superconductivitat, usualment anomenada teoria BCS”. Aquesta vegada sí que es reconeix clarament el fenomen. (6)

Fins els anys 1980, s’havien obtingut diferents materials superconductors, que ho eren tots ells a temperatures inferiors als 30 K que imposava la teoria BCS. Però l’any 1986, Bednorz i Müller, treballant amb materials no provats fins aleshores, com òxids de coure i metalls de les terres rares (La, per exemple), van obtenir un material ceràmic superconductor a temperatura 12 K superior a la temperatura màxima de tots els superconductors metàl·lics coneguts fins aleshores. També van comprovar les propietats magnètiques associades als superconductors: per exemple, el camp magnètic desapareix  de l’interior del material per sota de la temperatura crítica i les línies d’un camp magnètic exterior  es corben en les proximitats del material, produint per exemple la levitació magnètica (Efecte Meissner).

Aquest descobriment era important en dos aspectes: perquè obria la possibilitat de trobar altres materials amb temperatura crítica encara més alta, amb el que es podia pensar que un dia aquesta temperatura seria l’ambient i perquè no quedava dins de l’àmbit de la teoria BCS, que contempla només els superconductors per sota de 30 K, amb el que obria la porta a la revisió de la teoria, seguint l’habitual destí de les teories científiques quan són posades en dubte pels resultats experimentals.

Posteriorment es descobreixen altres cuprats, que treballen a temperatures crítiques superiors, amb Y, Bi, Tl, i Hg, arribant aquests últims a comportar-se com superconductors a temperatures de 134 K, a pressió ambient i a 160 K (-113 ºC) a altes pressions. La temperatura crítica més alta obtinguda en cuprats és de 138 K. (2)(3)
El 1987, J. Georg Bednorz and K. Alexander Müller, reben el Nobel per “la seva important aportació en el descobriment de la superconductivitat en materials ceràmics”. (7)

Hideo Hosomo, de l’Institut de Tecnologia de Tokio, descobreix els pnicturs el 2006 (3). A finals de 2007, es descobreix una nova família de materials superconductors, els pnicturs (2), compostos de P o As amb ferro i altres metalls de transició, que tenen temperatures crítiques encara no massa altes, però superiors als 30 K. Tenen a més a més l’avantatge de que alguns d’ells presenten un camp magnètic crític (el màxim al que es comporten com a superconductors), molt alt, de més de 50 T, 10 milions de vegades el camp magnètic terrestre.
El comportament dels cuprats i els pnicturs, no es pot explicar per la teoria BCS, ja que aquesta prediu que els materials sense dopar (acció d’introduir àtoms diferents a la xarxa metàl·lica que aporten un excés o una manca d’electrons), tenen un comportament metàl·lic, conductor de l’electricitat. Doncs resulta que el cuprats i els pnicturs sense dopar, tenen un comportament aïllant i, a baixes temperatures, es comporten com anti-ferromagnètics, amb els moments magnètics dels àtoms veïns en oposició.

Dues aplicacions de la superconductivitat, possibles però no factibles a la pràctica encara:

Emmagatzematge d’electricitat:
SMES, sistema d’emmagatzematge d’energia elèctrica, amb una bobina superconductora, de l’empresa SuperPower Inc. de Nova York, USA, en col·laboració amb el Brookhaven National Laboratory
(8). Pot emmagatzemar energia durant hores o segons. La bobina pot alliberar l’energia elèctrica en un percentatge a prop del 100 %. Pot servir per emmagatzemar energia de la xarxa elèctrica provinent de fonts renovables, com solar o eòlica, amb un rendiment total del procés que excedeix el 85%

Transport d’energia elèctrica a alta tensió. Foto J.L. Diez.

Transport d’electricitat:
En el transport de l’electricitat a través d’un fil conductor sempre es produeixen pèrdues ja que una part d’energia es transforma en calor, degut a la resistència del conductor. Aquesta es pot minimitzar utilitzant fils de secció gruixuda, però és clar, això repercuteix en el pes que han de suportar els pals i les torres de la línia elèctrica. Un cop tenim la línia amb la mínima resistència, les pèrdues en el transport depenen de la intensitat que circula i, per això, es fa circular el corrent a baixa intensitat, el que comporta alta tensió. El cas és que, tot i que siguin mínimes, sempre hi ha pèrdues d’energia en una línia de conducció elèctrica. Si es poguessin utilitzar superconductors, és a dir, materials amb una resistència nul·la, no es produirien pèrdues en el transport de l’electricitat.

En conclusió, tenim materials superconductors que es comporten com a tals a temperatures de poc menys de 100 ºC sota zero i s’acaben de descobrir nous materials que obren noves possibilitats. D’altra banda es fa necessària una nova teoria que expliqui el comportament d’aquests materials, ja que la teoria BCS proposada fa cinquanta anys és clarament insuficient. Esperem que nous descobriments i noves teories permetin l’emmagatzematge i la conducció de l’electricitat amb materials superconductors, cosa que capgiraria l’actual problema de l’energia al món.

Fonts d’informació:
(1) De Bruyn Ouboter, R.   Investigación y Ciencia,   maig 1997  pàg. 74
(2) Investigación y Ciencia    Octubre 2009        Moreira, Ibério P.R.        Illas, Francesc, pàg. 10.
(3) Investigación y Ciencia    Octubre 2009        Graham P. Collins, pàg. 78.
(4) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1913/
(5) http://en.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes
(6) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1972/
(7) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1987/
(8) http://www.superpower-inc.com/content/superconducting-magnetic-energy-storage-smes


Audio de la xerrada.

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles “Sopa d’estrelles· del 11 d’octubre de 2012.

Aquesta entrada ha esta publicada en física, premis nobel. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari