¿Y si... conseguimos superconductores de alta temperatura? Ataduras de esperanza

Líneas de transmisión sin pérdidas, ingeniería eléctrica de baja temperatura, superelectroimanes, finalmente comprimiendo suavemente millones de grados de plasma en reactores termonucleares, un riel maglev rápido y silencioso. Tenemos tantas esperanzas para los superconductores...

Superconductividad el estado material de resistencia eléctrica cero se llama. Esto se consigue en algunos materiales a temperaturas muy bajas. Descubrió este fenómeno cuántico. Camarling Onnes (1) en mercurio, en 1911. La física clásica no logra describirlo. Además de la resistencia cero, otra característica importante de los superconductores es empujar el campo magnético fuera de su volumenel llamado efecto Meissner (en los superconductores de tipo I) o la concentración del campo magnético en "vórtices" (en los superconductores de tipo II).

La mayoría de los superconductores solo funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto. Se informa que es 0 Kelvin (-273,15 °C). El movimiento de los átomos a esta temperatura es casi inexistente. Esta es la clave de los superconductores. Normalmente los electrones moviéndose en el conductor chocan con otros átomos que vibran, causando pérdida de energía y resistencia. Sin embargo, sabemos que la superconductividad es posible a temperaturas más altas. Gradualmente, estamos descubriendo materiales que muestran este efecto a menos grados centígrados y, recientemente, incluso a más. Sin embargo, esto también suele estar asociado con la aplicación de una presión extremadamente alta. El mayor sueño es crear esta tecnología a temperatura ambiente sin una presión gigantesca.

La base física para la aparición del estado de superconductividad es formación de pares de agarradores de carga - la llamada cobre. Tales pares pueden surgir como resultado de la unión de dos electrones con energías similares. energia fermi, es decir. la energía más pequeña por la cual la energía de un sistema fermiónico aumentará después de la adición de un elemento más, incluso cuando la energía de la interacción que los une es muy pequeña. Esto cambia las propiedades eléctricas del material, ya que los portadores individuales son fermiones y los pares son bosones.

Cooperar por lo tanto, es un sistema de dos fermiones (por ejemplo, electrones) que interactúan entre sí a través de vibraciones de la red cristalina, llamados fonones. El fenómeno ha sido descrito Leona coopera en 1956 y es parte de la teoría BCS de la superconductividad a baja temperatura. Los fermiones que componen el par de Cooper tienen medios espines (que están dirigidos en direcciones opuestas), pero el espín resultante del sistema es completo, es decir, el par de Cooper es un bosón.

Los superconductores a ciertas temperaturas son algunos elementos, por ejemplo, cadmio, estaño, aluminio, iridio, platino, otros pasan al estado de superconductividad solo a muy alta presión (por ejemplo, oxígeno, fósforo, azufre, germanio, litio) o en el forma de capas delgadas (tungsteno, berilio, cromo), y algunos pueden no ser aún superconductores, como la plata, el cobre, el oro, los gases nobles, el hidrógeno, aunque el oro, la plata y el cobre se encuentran entre los mejores conductores a temperatura ambiente.

La "alta temperatura" todavía requiere temperaturas muy bajas

En el año 1964 Guillermo A. pequeño sugirió la posibilidad de la existencia de superconductividad a alta temperatura en polímeros orgánicos. Esta propuesta se basa en el emparejamiento de electrones mediado por excitones en oposición al emparejamiento mediado por fonones en la teoría BCS. El término "superconductores de alta temperatura" se ha utilizado para describir una nueva familia de cerámicas con estructura de perovskita descubiertas por Johannes G. Bednorz y C.A. Müller en 1986, por la que recibieron el Premio Nobel. Estos nuevos superconductores cerámicos (2) se fabricaron a partir de cobre y oxígeno mezclados con otros elementos como lantano, bario y bismuto.

2. Placa de cerámica flotando sobre potentes imanes

Desde nuestro punto de vista, la superconductividad de "alta temperatura" todavía era muy baja. Para presiones normales, el límite era de -140 °C, e incluso estos superconductores se denominaban "de alta temperatura". La temperatura de superconductividad de -70 °C para el sulfuro de hidrógeno se ha alcanzado a presiones extremadamente altas. Sin embargo, los superconductores de alta temperatura requieren nitrógeno líquido relativamente barato para enfriarse, en lugar de helio líquido, que es esencial.

Por otro lado, es en su mayoría cerámica quebradiza, poco práctica para su uso en sistemas eléctricos.

Los científicos todavía creen que hay una mejor opción esperando a ser descubierta, un maravilloso material nuevo que cumplirá con criterios como superconductividad a temperatura ambienteeconómico y práctico de usar. Algunas investigaciones se han centrado en el cobre, un cristal complejo que contiene capas de átomos de cobre y oxígeno. La investigación continúa sobre algunos informes anómalos pero científicamente inexplicables de que el grafito empapado en agua puede actuar como un superconductor a temperatura ambiente.

Los últimos años han sido una verdadera corriente de "revoluciones", "avances" y "nuevos capítulos" en el campo de la superconductividad a temperaturas más altas. En octubre de 2020, se informó superconductividad a temperatura ambiente (a 15 °C) en hidruro de disulfuro de carbono (3), sin embargo, a muy alta presión (267 GPa) generada por el láser verde. El Santo Grial, que sería un material relativamente barato que sería superconductor a temperatura ambiente y presión normal, aún no se ha encontrado.

3. Material a base de carbono superconductor a 15°C.

El amanecer de la era magnética

La enumeración de posibles aplicaciones de los superconductores de alta temperatura puede comenzar con la electrónica y las computadoras, dispositivos lógicos, elementos de memoria, interruptores y conexiones, generadores, amplificadores, aceleradores de partículas. Siguiente en la lista: dispositivos altamente sensibles para medir campos magnéticos, voltajes o corrientes, imanes para Dispositivos médicos de resonancia magnética, dispositivos de almacenamiento de energía magnética, trenes bala que levitan, motores, generadores, transformadores y líneas eléctricas. Las principales ventajas de estos dispositivos superconductores de ensueño serán la baja disipación de energía, el funcionamiento a alta velocidad y sensibilidad extrema.

para superconductores. Hay una razón por la que las plantas de energía se construyen a menudo cerca de ciudades concurridas. Incluso el 30 por ciento. creado por ellos Energía eléctrica puede perderse en las líneas de transmisión. Este es un problema común con los electrodomésticos. La mayor parte de la energía se destina al calor. Por lo tanto, una parte importante de la superficie de la computadora se dedica a enfriar piezas que ayudan a disipar el calor generado por los circuitos.

Los superconductores resuelven el problema de las pérdidas de energía por calor. Como parte de los experimentos, los científicos, por ejemplo, logran ganarse la vida corriente eléctrica dentro del anillo superconductor más de dos años. Y esto es sin energía adicional.

La única razón por la que la corriente se detuvo fue porque no había acceso al helio líquido, no porque la corriente no pudiera continuar fluyendo. Nuestros experimentos nos llevan a creer que las corrientes en los materiales superconductores pueden fluir durante cientos de miles de años, si no más. La corriente eléctrica en los superconductores puede fluir para siempre, transfiriendo energía de forma gratuita.

в sin resistencia una enorme corriente podía fluir a través del cable superconductor, que a su vez generaba campos magnéticos de un poder increíble. Se pueden utilizar para hacer levitar trenes de levitación magnética (4), que ya pueden alcanzar velocidades de hasta 600 km/h y se basan en imanes superconductores. O utilícelos en centrales eléctricas, reemplazando los métodos tradicionales en los que las turbinas giran en campos magnéticos para generar electricidad. Potentes imanes superconductores podrían ayudar a controlar la reacción de fusión. Un cable superconductor puede actuar como un dispositivo de almacenamiento de energía ideal, en lugar de una batería, y el potencial del sistema se conservará durante mil y un millón de años.

En las computadoras cuánticas, puedes fluir en sentido horario o antihorario en un superconductor. Los motores de barcos y automóviles serían diez veces más pequeños de lo que son hoy en día, y las costosas máquinas de resonancia magnética de diagnóstico médico cabrían en la palma de su mano. Recolectada de granjas en los vastos desiertos de todo el mundo, la energía solar se puede almacenar y transferir sin pérdida alguna.

4. Tren de levitación magnética japonés

Según el físico y célebre divulgador de la ciencia, kakútecnologías como los superconductores marcarán el comienzo de una nueva era. Si aún estuviéramos viviendo en la era de la electricidad, los superconductores a temperatura ambiente traerían consigo la era del magnetismo.