Progreso en la superconductividad allanando el camino para una nueva revolución tecnológica

Límites de la superconductividad

Electricidad ha sido una de las tecnologías más transformadoras de la historia, permitiendo la transmisión de una forma de energía muy útil a largas distancias. Pero todo sistema eléctrico enfrenta resistencia eléctrica, lo que genera calor cuando se aplica una corriente eléctrica.

Existe una alternativa, el llamado material superconductor. Los materiales superconductores tienen una resistencia eléctrica nula, lo que permite usar corrientes extremadamente potentes sin generar calor ni campos magnéticos intensos.

Sin la superconductividad, gran parte de la tecnología moderna no sería posible, incluidos los aceleradores de partículas, la resonancia magnética (MRI) y los trenes de levitación magnética.

El problema es que todas estas aplicaciones se basan en la superconductividad a bajas temperaturas, donde los materiales son superconductores solo cuando se enfrían a temperaturas tan bajas como 20 K/-253 °C/-423 °F, incluso con helio líquido.

Para algunas aplicaciones, como los imanes en reactores de fusión experimentales, la temperatura requerida puede ser tan baja como 4 K (solo 4 grados por encima del cero absoluto), aunque esto está mejorando (ver más abajo).

Such extremely low temperatures are hard to maintain and consume a lot of energy. So, while other technologies & applications could benefit from superconductivity, it is rarely economically viable to do so.

Superconductividad a alta temperatura

Por eso la perspectiva de que los materiales puedan mantenerse superconductores a temperaturas más altas es emocionante. En ese contexto, la “alta” temperatura puede ser tan fría como -185 °C a -135 °C, pero esto es mucho más fácil de alcanzar que la temperatura superconductora tradicional, usando nitrógeno líquido en lugar de helio líquido.

Pero, por supuesto, el material ideal sería superconductor a temperaturas justo bajo cero o incluso a temperatura ambiente.

Superconductividad a temperatura ambiente

En el verano de 2023, una pieza de noticia se volvió viral tras la publicación de un artículo científico titulado “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”. Un material llamado LK-99 se describió como superconductor hasta 127 °C/260 °F. El hecho de que utilizara materiales comunes como cobre y plomo (apatita de plomo sustituida por cobre – CSLA) solo aumentó el potencial del descubrimiento.

Cristales de cobre – Fuente: DOE

Incluso provocó una micro‑burbuja en acciones relacionadas con la superconductividad, por ejemplo, un +60 % en los precios de las acciones de American Superconductor (AMSC ).

La afirmación fue inmediatamente cuestionada y se encontró que era difícil de replicar.

Historia de la superconductividad de LK-99

Pero esta historia aún no ha terminado. En enero de 2024, dos otros equipos de investigación también han observado el potencial de LK-99 para la superconductividad.

Curiosamente, cada equipo recreó su propia versión de LK-99 mediante diferentes métodos de fabricación, lo que indica que los resultados observados probablemente están vinculados al material más que a alguna posible impureza o error.

Así que hay cierta esperanza de que no sea una falsa alarma. Lo que parece ser el caso es que el proceso de fabricación es, por ahora, extremadamente ineficiente, lo que facilita que una prueba resulte negativa.

Por lo tanto, quizás no sea sorprendente que replicar el descubrimiento inicial de LK-99 haya sido todo menos sencillo.

“…incluso las muestras sintetizadas siguiendo el proceso mejor conocido actualmente (el que emplearon) tienden a tener un alto porcentaje de material no superconductor mezclado con los supuestos fragmentos superconductores. En ese escenario, es fácil declarar erróneamente que las muestras están muertas incluso después de probarlas.

una de las muestras superconductoras en las que basaron su artículo fue fabricada en noviembre de 2023, se determinó que era un fracaso, y estuvo a punto de ser descartada en varios momentos de su vida.”

Fuente: Tom’s Hardware

Potencial de la superconductividad

Incluso si los superconductores a temperatura ambiente siguen siendo esquivos, los investigadores pueden encontrar una forma de mantener el material superconductor a temperaturas tan “altas” como -80 °C a -70 °C.

Esto cambiaría por completo las posibles aplicaciones, ya que la superconductividad podría depender entonces de la tecnología de refrigeración utilizada en congeladores que almacenan vacunas de ARNm, en lugar de helio o nitrógeno líquido más costosos.

Entre las posibles aplicaciones ya discutidas en los años 90 se encuentran:

• Mejor resonancia magnética, con mayor resolución y más barato de construir y operar, permite que se convierta en un examen médico mucho más rutinario.
• Sistemas de propulsión por empuje electromagnético (también llamados impulso magnetohidrodinámico (MHD)) para impulsar barcos electrificando el agua de mar.
• Más potentes y eficientes motores eléctricos.
• Baterías de mayor densidad y más seguras con Almacenamiento de energía magnética superconductor (SMES).
• Limitadores, interruptores y fusibles superconductores para mejorar la infraestructura de la red eléctrica.
• Transmisión de energía a larga distancia sin pérdidas, lo que podría impulsar la eficiencia de la energía renovable, por ejemplo con paneles solares que siguen bajo el sol alimentando una ciudad a miles de kilómetros de distancia.
• Trenes de levitación magnética más baratos y fáciles de mantener o, más adelante, sistemas Hyperloop.
• Sensores/magnetómetros (Dispositivos de interferencia cuántica superconductora – SQUIDS) para aplicaciones en entornos industriales.
• Computación cuántica superconductora
  • (puedes leer más sobre el progreso de la computación cuántica en nuestro artículo “El estado actual de la computación cuántica”).
• Aplicaciones de defensa y aeroespaciales, incluyendo escudos de radiación, lanzamientos electromagnéticos, rodamientos magnéticos, sensores, cañones electromagnéticos, cañones de bobina, láseres y otras armas de energía.

Fuente: DOE

Superconductividad y fusión nuclear

La fusión nuclear es otra aplicación que se beneficiaría enormemente de superconductores que funcionen a temperaturas más altas.

Todos los diversos métodos para lograr la fusión nuclear comercial dependen de imanes extremadamente potentes para contener y comprimir el plasma calentado a decenas o cientos de millones de grados.

Tras un éxito inicial en 2021, un equipo de investigación del Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT trabajó en crear un imán superconductor lo suficientemente potente como para ser utilizable en reactores de fusión nuclear.

El nuevo diseño de imán de fusión es superconductor a 16 K en lugar de los anteriores 4 K. Una innovación clave es la eliminación de todo aislamiento alrededor del cable conductor del imán. Esto, a su vez, liberó espacio para mejoras adicionales, como un proceso de fabricación más sencillo o mayor resistencia estructural.

Fuente: Phys.org

“Antes de la demostración del 5 de septiembre, los mejores imanes superconductores disponibles eran lo suficientemente potentes como para lograr potencialmente energía de fusión, pero solo en tamaños y costos que nunca podrían ser prácticos o económicamente viables. Luego, cuando las pruebas demostraron la viabilidad de un imán tan fuerte en un tamaño mucho reducido, “de la noche a la mañana, básicamente cambió el costo por vatio de un reactor de fusión en un factor de casi 40 en un día”

Dennis Whyte – Hitachi America Professor of Engineering

Publicaron sus descubrimientos en una compilación de 6 artículos científicos publicados en IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Explicaron en detalle cómo construir dichos imanes de fusión a 16 K, que generan un campo magnético tan intenso como 20 teslas.

Probando el límite

Ansiosos por demostrar que el nuevo diseño de imán de fusión puede funcionar de manera segura, también lo pusieron activamente en situaciones difíciles. La última prueba resultó en que el imán se fundió parcialmente en una esquina. Y aun así, la mayoría de los elementos del imán sobrevivieron (¡más del 95 %!), demostrando la robustez del diseño.

Lo que también resultó impresionante es que el modelo de los investigadores predijo perfectamente la forma en que el imán falló.

La experiencia también puso a prueba la cadena de suministro de dicho material, utilizando 300 kilómetros (186 millas) de superconductor de alta temperatura en colaboración con CFS (Commonwealth Fusion Systems, una empresa derivada del MIT)

El futuro del imán superconductor para fusión

Durante un tiempo más, los reactores de fusión dependerán de superconductores bien comprendidos y probados que utilizan helio líquido para mantenerse por debajo de 20 K.

Sin embargo, parece que la superconductividad a temperaturas más altas no solo es posible, sino que probablemente sea viable a temperaturas mucho más manejables.

A largo plazo, dichos imanes superconductores podrían ayudar a mejorar el rendimiento de los reactores de fusión, así como reducir su precio, permitiendo su viabilidad comercial.

Esto desbloquearía una fuente de energía casi ilimitada para la humanidad, haciendo que nuestros problemas actuales relacionados con la producción de alimentos, la desalinización, el cambio climático, los viajes espaciales, etc., sean triviales.