I Superconduttori a Temperatura Ambiente Sono Davvero Possibili? QMUL Dice Sì

Limitazioni della Superconduttività

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

L’elettricità è stata una delle tecnologie più trasformative della storia, consentendo la trasmissione di una forma di energia molto utile su lunghe distanze. Tuttavia, ogni sistema elettrico “normale” presenta resistenza elettrica, che genera calore quando viene applicata una corrente elettrica.

Esiste un’alternativa: i cosiddetti materiali superconduttori. I materiali superconduttori hanno una resistenza elettrica pari a zero, il che permette di utilizzare correnti estremamente potenti senza generare calore.

Senza la superconduttività, molte tecnologie moderne non sarebbero possibili, inclusi gli acceleratori di particelle (ad esempio il CERN), la risonanza magnetica (MRI) e i maglev trains.

La superconduttività sarà un componente cruciale dei megaprogetti e delle innovazioni tecnologiche più promettenti, come ITER e nuclear fusion, mass drivers, quantum computers, ecc.

Le linee elettriche a perdita zero potrebbero anche essere fondamentali nello sviluppo di connessioni di rete ultra‑lunghe, aiutando a compensare la produzione di energie rinnovabili rispetto a condizioni meteorologiche e fusi orari, risolvendo alcune delle limitazioni dell’energia solare e eolica.

Fonte: XOT Metals

Tuttavia, finora la superconduttività è stata padroneggiata solo per materiali che la mostrano a temperature ultra‑basse, appena pochi gradi sopra lo zero assoluto. O a pressioni estremamente elevate. O entrambe.

Ciò la rende non solo troppo complessa per tutte le applicazioni tranne le più esigenti (maglev, MRI, ecc.), ma anche molto costosa, rendendola poco economica per molte applicazioni che potrebbero beneficiare di materiale superconduttivo o di un uso su larga scala.

Molti Percorsi Verso la Superconduttività

Ora sembra che il materiale prodotto ad alta pressione possa conservare parte della sua superconduttività a pressione più bassa mediante un metodo sperimentale chiamato protocollo di scarico di pressione (PQP).

Recentemente, il twisted bilayer of WSe₂ (tungsten selenium) è sembrato un buon candidato materiale per superconduttori a temperatura più elevata.

Un’altra nuova classe di potenziali superconduttori, i bilayer nickelates, potrebbe essere stata aggiunta alla lista anche quest’anno.

Il problema nel trovare nuovi materiali che siano superconduttori a temperature più alte è che non comprendiamo davvero come funzionino. Questo è ancora più vero per la superconduttività ad alta temperatura o a temperatura ambiente. Per un certo periodo, si pensava fosse totalmente impossibile.

Poi è emerso il caso enigmatico di LK-99 (una forma di apatite di piombo sostituita con rame – CSLA), potenzialmente un nuovo tipo di superconduttore a pressione ambiente e temperatura ambiente. L’affermazione è stata subito contestata e criticata come una truffa o un errore di misura, ma poi altri ricercatori hanno scoperto che potrebbe esserci qualcosa di reale.

I nuovi progressi nella fisica teorica, realizzati da ricercatori della QMUL (Queen Mary University of London), dell’Università di Cambridge e di Intellectual Ventures, potrebbero far luce su come i superconduttori a temperatura ambiente possano essere possibili.

Hanno pubblicato i loro risultati¹ nella Journal of Physics: Condensed Matter, con il titolo “Upper bounds on the highest phonon frequency and superconducting temperature from fundamental physical constants“.

Comprendere il Limite di T_C Limit

Ogni materiale superconduttore è definito da un valore chiamato T_C (Temperatura Critica). Per la maggior parte dei materiali con comportamento superconduttivo, T_C è appena pochi gradi sopra lo zero assoluto.

Tuttavia, questa nuova ricerca ha proseguito esplorando quali potrebbero essere i limiti teorici di T_C.

Tale limite è determinato dalle forze fondamentali e dalle costanti dell’Universo, come la massa dell’elettrone, la carica dell’elettrone e la costante di Planck.

Questo lavoro dimostra che queste costanti “stabiliscono un limite superiore per la frequenza dei fononi nelle fasi della materia condensata, o per la rapidità con cui un atomo può vibrare in queste fasi”. Ciò, a sua volta, determina l’intervallo inferiore e superiore del possibile T_C, poiché i fononi mediano la temperatura superconduttiva.

Limiti Superiori e Inferiori per T_C

La matematica e la fisica delle particelle usate per determinare quale T_C sia possibile o meno sono piuttosto complesse e al di fuori della portata dei non specialisti. Solo per fare un esempio dal documento scientifico stesso nella sua introduzione:

“Nelle nostre simulazioni di teoria funzionale della densità (DFT), utilizziamo metodi simili al nostro lavoro precedente. Ciò include l’uso del funzionale di scambio‑correlazione Perdew–Burke–Ernzerhof, un cut‑off energetico di 1200 eV e una griglia di punti k con spaziatura 2π×0.025 Å⁻¹ per campionare la zona di Brillouin elettronica.”

Per semplificare, il modello sviluppato dai ricercatori indaga quanto alta possa essere la frequenza di oscillazione di un atomo nei solidi o nei liquidi.

Ciò fisserebbe il limite superiore per la superconduttività T_C tra 100 e 1.000 K, ovvero -173,15 a 726 °C / -279 a 1340 °F. Questo renderebbe la superconduttività, almeno in teoria, perfettamente realizzabile a temperature ambiente.

Colloca fermamente la temperatura ambiente nella zona possibile in cui la superconduttività è realizzabile, cambiando radicalmente la nostra precedente percezione della superconduttività a temperatura ambiente come impossibilità teorica.

Comprensione più Profonda dell’Universo

I risultati sono già stati confermati in modo indipendente in uno studio separato, confermando che questa analisi teorica più dettagliata è probabilmente in linea con la realtà fisica.

Ciò dovrebbe stimolare notevolmente il campo della ricerca sulla superconduttività, poiché ora esiste un quadro teorico che spiega meglio perché i superconduttori a temperatura ambiente siano possibili.

“Questa scoperta ci dice che la superconduttività a temperatura ambiente non è esclusa dalle costanti fondamentali. Dà speranza agli scienziati: il sogno è ancora vivo.”

Professor Pickard – Physics Professor at the University of Cambridge

Una comprensione più profonda di come la materia condensata si comporta a livello di particelle dovrebbe inoltre produrre risultati in altri campi, come le scienze dei materiali, l’elettronica o la fisica dei plasma.

Applicazioni Future

I superconduttori a temperatura ambiente sarebbero un materiale miracoloso immediato se compresi a sufficienza per produrli su larga scala.

Il primo effetto immediato sarebbe la riduzione dei costi delle apparecchiature che già sfruttano la superconduttività, come MRI, treni maglev, turbine e generatori avanzati, acceleratori di particelle, reattori sperimentali di fusione, ecc.

Renderebbe anche possibile tecnologie che finora o non potevano essere realizzate o erano proibitivamente costose a causa dei vincoli tecnici dei superconduttori a bassa temperatura.

Ciò include treni hyperloop, mass driver per raggiungere l’orbita, fusione nucleare commerciale, connessioni di rete intercontinentali, ecc. Ognuna di queste è una tecnologia che altererebbe per sempre il percorso della civiltà umana.

Leader nelle Soluzioni di Superconduttività

AMSC è un’azienda che fornisce soluzioni energetiche per la rete elettrica, le navi e l’energia eolica. In generale, più un sistema è affamato di energia o massiccio, più richiede la tecnologia superconduttiva per evitare il surriscaldamento.

Nonostante il nome, ASMC fornisce non solo sistemi superconduttori ma anche, ad esempio, trasmissioni di ingranaggi per turbine eoliche.

L’azienda sta beneficiando di molteplici fattori di crescita, dalla tendenza all’elettrificazione e alla digitalizzazione (inclusi i data center AI), ma anche dal ritorno della produzione manifatturiera negli USA e dalla necessità delle marine dell’Anglosfera di modernizzarsi in risposta ai crescenti rischi geopolitici.

Fonte: American Superconductor Corporation

Nel segmento dell’alimentazione elettrica, AMSC ha registrato un costante aumento degli ordini. Questo è stato guidato da fabbriche di semiconduttori che cercano protezione dalle fluttuazioni della rete elettrica, aiutando la rete a gestire la natura intermittente delle energie rinnovabili, e da sistemi di alimentazione e controllo nei siti industriali.

Fonte: American Superconductor Corporation

Nel segmento delle turbine eoliche, AMSC è principalmente attiva con il Sistema di Controllo Elettrico (ECS). Storicamente, l’ESC era un segmento forte per l’azienda con le turbine eoliche da 2 MW, ma è progressivamente diminuito. AMSC punta a una ripresa grazie al nuovo design della turbina da 3 MW, con un’attenzione speciale al mercato indiano.

Fonte: American Superconductor Corporation

Per le navi militari, ASMC fornisce il “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, un sistema per modificare la firma magnetica delle navi al fine di proteggerle dalle mine marine. Questo è venduto alle marine statunitense, canadese e britannica, con ordini per un valore di 75 milioni di dollari finora.

Nel complesso, ASMC sta ottenendo i migliori risultati sfruttando la tecnologia superconduttiva in applicazioni di nicchia attualmente fattibili, pur essendo probabilmente pronta a implementare ulteriori progressi in futuro. Gli investitori dovrebbero anche notare che il titolo ha sperimentato una volatilità estrema in passato e dovrebbero calcolare i rischi di conseguenza.

Ultime Notizie su American Superconductor Corporation

Studi Citati:

^{1. K Trachenko, B Monserrat, M Hutcheon and Chris J Pickard.(2025) Limiti superiori sulla più alta frequenza dei fononi e sulla temperatura superconduttiva a partire dalle costanti fisiche fondamentali. Journal of Physics: Condensed Matter. 37165401. 13 marzo 2025. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/adbc39}