Limiti della Superconduttività

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, il 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 l’uso di 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 treni maglev.

La superconduttività sarà un componente cruciale dei megaprogetti più promettenti e dell’innovazione tecnologica, come ITER e la fusione nucleare, i mass driver, i computer quantistici, ecc.

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

Il problema finora è che tutte queste applicazioni si basano sulla superconduttività a bassa temperatura, dove i materiali sono superconduttori solo quando raffreddati a temperature molto basse come 20 K/-253 °C/-423 °F, solitamente richiedendo elio liquido.

Ciò lo rende non solo troppo complesso per tutte le applicazioni tranne le più esigenti (maglev, MRI, ecc.), ma anche molto costoso, rendendolo poco economico per molte applicazioni che potrebbero beneficiare di materiali superconduttori o di un uso su larga scala.

Molti Percorsi Verso la Superconduttività

Altre forme di superconduttività rispetto ai materiali ultra-freddi richiedono una pressione molto alta costante affinché il materiale rimanga superconduttivo. Questo può essere interessante dal punto di vista sperimentale, ma è ancora meno pratico per le applicazioni industriali o per le infrastrutture energetiche e di trasporto.

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

Comunque, il caso di LK-99 illustra che siamo ancora lontani dal conoscere tutto ciò che rende possibile la superconduttività.

Recentemente, il bilayer torcido di WSe₂ (tungsteno selenio) è apparso anche come un buon candidato materiale.

Ricercatori dell’Università di Houston, dell’Università di Buffalo, dell’Università dell’Illinois, della National Sun Yet-Sen University (Taiwan) e di Intellectual Venture stanno ampliando il campo dei possibili materiali superconduttori, eliminando la necessità di alta pressione tranne che durante la fabbricazione del materiale.

Hanno pubblicato i loro risultati¹ nei Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), con il titolo “Creazione, stabilizzazione e indagine a pressione ambiente della superconduttività indotta da pressione in Bi0.5Sb1.5Te3”.

Superconduttività e Pressione

La connessione tra alta pressione e superconduttività è stata studiata per più di 30 anni, sin dalla loro scoperta iniziale nel 1993. Ciò che accade è che la pressione modifica il comportamento atomico del materiale, influenzandone le proprietà elettriche.

“Nel 2001, gli scienziati sospettavano che l’applicazione di alta pressione al BST cambiasse la topologia della superficie di Fermi, portando a una migliore performance termoelettrica.

Questa connessione tra pressione, topologia e superconduttività ha suscitato il nostro interesse.”

Prof. Liangzi Deng – Ricercatore presso l’Università di Houston

Prof. Deng (sinistra) e Prof. Chu (destra) – Fonte: University of Houston

Il problema è che, per essere utile nelle applicazioni industriali, un materiale deve solitamente mostrare proprietà interessanti quando si trova in uno stato metastabile, così da mantenere queste proprietà in condizioni “normali”.

Finora, la necessità di una pressione molto alta non solo ha ostacolato lo studio di materiali superconduttivi in queste condizioni, ma ha anche reso molto sfuggenti le future applicazioni pratiche, poiché non sarebbe possibile mantenere un cavo, un magnete o un componente ferroviario sotto tali condizioni di pressione estrema, ancor meno rispetto ai requisiti di condizioni ultra-fredde per i superconduttori attualmente utilizzati.

Raffreddamento ad Alta Pressione

Mantenere le proprietà di superconduttività a pressione normale è ciò che i ricercatori hanno appena realizzato.

Per farlo, hanno utilizzato un materiale semiconduttore speciale chiamato BST (Bismuto-Antimonio-Telurio / Bi_0.5Sb₁.5Te₃). Sotto pressioni fino a ~50 GPa (Gigapascal), ovvero 500.000 volte più forte della pressione atmosferica (1 bar), il BST mostra tre fasi superconduttive (BST-I, -II e -III), con la prima che appare a 4 GPa.

I ricercatori hanno sviluppato una procedura chiamata protocollo di raffreddamento sotto pressione (PQP), che consente alla fase indotta dalla pressione di persistere a pressione ambiente.

Non solo la fase superconduttiva BST-I è stata preservata, ma anche le fasi BST-II e -III.

Hanno utilizzato un incudine di diamante per raggiungere l’estrema pressione necessaria.

Fonte: University of Houston

Le proprietà elettriche e magnetiche sono state analizzate usando uno strumento molto sensibile chiamato Magnetization Property Measurement System (MPMS).

Fonte: University of Houston

Migliorare la Temperatura di Funzionamento

Quando testate, queste fasi superconduttive non solo erano inizialmente stabili a pressione ambiente, ma hanno anche mantenuto questi stati nel tempo e quando esposte a temperature più elevate.

Ciò, tuttavia, non significa che si tratti di un superconduttore a temperatura ambiente, ma solo che le fasi sono stabili a pressione normale e in grado di mostrare una vera superconduttività quando raffreddate.

È noto che il BST mostra superconduttività a 10,2 K (-262,9 °C / -441,3 °F). I ricercatori hanno scoperto che la depressurizzazione e il protocollo di raffreddamento sotto pressione hanno entrambi migliorato la temperatura di transizione del BST, rendendolo una buona opzione per migliorare i materiali superconduttivi esistenti.

“Questo esperimento dimostra chiaramente che è possibile stabilizzare la fase indotta ad alta pressione a pressione ambiente tramite una sottile transizione elettronica senza un cambiamento di simmetria, offrendo una nuova via per conservare le fasi materiali di interesse e i valori che normalmente esistono solo sotto pressione.

Prof. Paul Chu – Ricercatore presso l’Università di Houston

Applicazioni Future

Pur non creando immediatamente materiale superconduttivo, questo apre la strada a un nuovo metodo per scoprire e progettare materiali superconduttivi.

Finora, la superconduttività ad alta pressione ha avuto pochissime applicazioni pratiche, e un superconduttore a temperatura ambiente doveva mostrare questa caratteristica indipendente dall’effetto della pressione.

Se il protocollo di raffreddamento sotto pressione potesse essere generalizzato, ciò potrebbe aiutare a stabilizzare in condizioni normali materiali superconduttivi promettenti, ma finora funzionanti solo ad alta pressione.

“Interessante, questo esperimento ha rivelato un nuovo approccio per scoprire nuovi stati della materia che non esistono a pressione ambiente originariamente o nemmeno sotto condizioni di alta pressione.

Dimostra che il PQP è uno strumento potente per esplorare e creare regioni inesplorate dei diagrammi di fase dei materiali.”

Prof. Liangzi Deng – Ricercatore presso l’Università di Houston

Potrebbe anche migliorare i superconduttori noti in modo che la loro temperatura di transizione sia più alta.

Ciò potrebbe aprire la strada a stati successivi, rendendo possibile creare un superconduttore che possa funzionare a “solo” 78 K (-195 °C / -319 °F), ovvero il punto di ebollizione dell’azoto liquido, un refrigerante molto più facile da gestire rispetto all’elio liquido, attualmente utilizzato, ad esempio, nei magneti superconduttori di ITER.

Azienda 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 cavalcando molteplici fattori di crescita, dalla tendenza all’elettrificazione e alla digitalizzazione (inclusi i data center AI), ma anche il reshoring delle capacità produttive statunitensi e la necessità delle marine dell’Anglosfera di modernizzarsi in risposta ai crescenti rischi geopolitici.

Fonte: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

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 dall’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 dei superconduttori 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 calcolare i rischi di conseguenza.

Riferimento allo Studio:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Creazione, stabilizzazione e indagine a pressione ambiente della superconduttività indotta da pressione in Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}