- La mayoría de los elementos químicos se convierten en superconductores a temperatura suficientemente baja
- La superconductividad permite conducir corriente eléctrica sin que se produzca pérdida de energía ni resistencia
- Trenes que circulan levitando, magnetoencefalogramas de gran precisión; y motores, generadores y trasformadores más pequeños y ligeros son algunas de las aplicaciones de la superconductividad
Aplicaciones de la superconductividad (español). Fuente: ICMA.
Un poco de historia para situarnos
A principios del siglo XX, el físico holandés H. Kamerlingh Onnes y su equipo de investigadores se dedicaron a estudiar las propiedades de la materia a temperaturas muy bajas, entre -271 °C y -259 °C. En 1911 observaron que la resistencia eléctrica del mercurio tiende a cero (desparece) por debajo de 4,2 K (-269 ° C). Acababan de descubrir la superconductividad. Sus aportaciones en este campo les hicieron merecedores del Premio Nobel de Física en 1913.
| ¿Qué es la superconductividad? se trata de una propiedad que tienen determinados materiales, bajo ciertas condiciones, para conducir corriente eléctrica sin que se produzca pérdida de energía ni resistencia. |
Dos Premios Nobel más para los investigadores que avanzaron en la superconductividad
En 1957, J. Bardeen, L. Cooper y R. Schrieffer enunciaron su teoría, conocida como BSC, que por primera vez explicó casi todas las propiedades de los materiales superconductores y que fue reconocida con el Premio Nobel de Física en 1972. La teoría BCS postula que, en el estado superconductor, hay una interacción atractiva entre electrones a través de las deformaciones de la red metálica que los acoplan formando parejas (pares de Cooper). Estas parejas son capaces de transportar corriente sin que aparezca resistencia eléctrica.
En 1986, J.C. Bednorz y K.A. Müller, en los laboratorios IBM de Suiza, descubrieron superconductividad en materiales cerámicos y a temperaturas superiores al límite. Este resultado supuso una revolución: pronto identificaron numerosos materiales capaces de trabajar a temperaturas superiores a la de ebullición del nitrógeno líquido (-196 °C), lo que permite enfriarlos con mucha más facilidad y economía. El descubrimiento les valió el Premio Nobel de Física en 1987. Estas familias de materiales, que reciben el nombre de “superconductores de alta temperatura”, SAT, han despertado el interés tecnológico para desarrollar nuevas aplicaciones de la superconductividad.
El efecto Joule y los pares de Cooper
Cuando la corriente eléctrica circula por un hilo conductor, este se calienta (tal como nos indica, por ejemplo, el cambio de color en las resistencias de las estufas o en los filamentos de las bombillas). Este fenómeno, denominado “Efecto Joule”, se debe a la resistencia eléctrica y se produce porque los electrones, cuando se mueven, chocan con los átomos del material. En cambio, en un superconductor, los electrones forman parejas (pares de Cooper) que se desplazan a través del material (sincronizándose entre sí y con las oscilaciones de los átomos) transportando corriente sin que aparezca resistencia eléctrica.
Es decir:
- Cuando la resistencia cae a cero, una corriente puede circular en el interior del material sin ninguna disipación de energía porque el material deja de ofrecer resistencia al paso de la corriente eléctrica.
- Los pares de Cooper se mueven por el interior del sólido sin fricción.
El efecto Meissner
Los superconductores, además de poder transportar corrientes eléctricas sin resistencia, pueden apantallar campos magnéticos (expulsarlos), fenómeno que se conoce como “Efecto Meissner”.
¿Qué aplicaciones tiene en nuestra vida la superconductividad?
Generar y conducir corrientes eléctricas con pérdidas de energía muy bajas
- Instalar cables superconductores en la red eléctrica que permiten transportar la misma potencia con menor coste energético, lo que beneficia al medioambiente.
- Diseñar motores, generadores y transformadores mucho más pequeños y ligeros. Por ejemplo, motores de propulsión para barcos y aerogeneradores.
La producción de grandes campos magnéticos
- Mejorar los equipos de resonancia magnética instalados de los hospitales: los hilos superconductores de menos de 1 mm de diámetro permiten la circulación de cientos de amperios sin que se produzcan pérdidas, lo que los hace idóneos para las bobinas que generan campos magnéticos muy intensos (superiores a 2 teslas).
Viaje al interior del CERN (ATLAS) en 10 minutos
- Para los grandes imanes empleados en los aceleradores de partículas como el CERN (European Council for Nuclear Research).
Nuevos sistemas de transporte
Como los superconductores pueden generar grandes campos magnéticos, se pueden construir circuitos de imanes permanentes por los que se desplacen vehículos que leviten (literalmente) sobre ellos. Es el caso de los trenes Maglev que, al desaparecer el rozamiento con la vía, alcanzarán velocidades de hasta 580 Km/hora en el trayecto entre Tokyo y Osaka. Está previsto que la primera línea comercial entre en servicio en 2025.
Prueba a más de 500 Km/hora del tren superconductor Maglev
Diseño de nuevos dispositivos electrónicos
Estos dispositivos electrónicos de altas prestaciones permiten detectar campos magnéticos muy pequeños y se utilizan en instrumentos científicos de alta precisión. Son capaces de detectar, por ejemplo, los campos magnéticos inducidos por las transmisiones entre grupos de neuronas del cerebro y ya se han comenzado a utilizar para obtener magnetoencefalogramas.
Fuentes:
ICMA, Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (CSIC, Consejo Superior de Investigaciones Científicas -Universidad de Zaragoza)
Agradecimientos:
Agradecemos a Luis Alberto Angurel, Jefe del Equipo de Superconductividad del ICMA, la colaboración prestada para la redacción de este artículo.