Progressi nella superconduttività che aprono la strada a una nuova rivoluzione tecnologica

Limiti della superconduttività

L’elettricità è stata una delle tecnologie più trasformative della storia, consentendo la trasmissione di una forma molto utile di energia su lunghe distanze. Tuttavia, ogni sistema elettrico si confronta con la resistenza elettrica, che si traduce nella generazione di calore quando viene applicata una corrente elettrica.

Esiste un’alternativa, il cosiddetto materiale superconduttivo. I materiali superconduttivi hanno una resistenza elettrica di zero, il che consente l’utilizzo di correnti estremamente potenti senza generare calore o potenti campi magnetici.

Senza la superconduttività, molte tecnologie moderne non sarebbero possibili, tra cui acceleratori di particelle, MRI e treni a levitazione magnetica.

Il problema è che tutte queste applicazioni si basano sulla superconduttività a bassa temperatura, dove i materiali sono superconduttivi solo quando raffreddati a temperature basse come 20°K/-253°C/-423°F, inclusa l’uso di elio liquido.

Per alcune applicazioni, come i magneti nei reattori sperimentali di fusione, la temperatura richiesta può essere così bassa come 4°K (solo 4 gradi sopra lo zero assoluto), anche se questo si sta migliorando (vedi sotto).

Tali temperature estremamente basse sono difficili da mantenere e consumano molta energia. Quindi, mentre altre tecnologie e applicazioni potrebbero trarre beneficio dalla superconduttività, raramente è economicamente conveniente farlo.

Superconduttività ad alta temperatura

È per questo che la prospettiva di materiali in grado di rimanere superconduttivi a temperature più elevate è una prospettiva emozionante. In questo contesto, “alta” temperatura può essere così fredda come -185°C a -135°C, ma questo è molto più facile da raggiungere rispetto alla temperatura superconduttiva tradizionale, utilizzando azoto liquido invece di elio liquido.

Ma naturalmente, il materiale ideale sarebbe superconduttivo a temperature appena al di sotto del punto di congelamento o addirittura a temperatura ambiente.

Superconduttività a temperatura ambiente

Nell’estate del 2023, una notizia è diventata virale dopo la pubblicazione di un articolo scientifico intitolato “Il primo superconduttore a temperatura ambiente e pressione ambiente“. Un materiale chiamato LK-99 è stato descritto come funzionante come superconduttore fino a 127°C/260°F. Il fatto che abbia utilizzato materiali comuni come rame e piombo (apatite di rame sostituita – CSLA) ha aggiunto potenziale alla scoperta.

Cristalli di rame – Fonte: DOE

Ha anche scatenato una piccola bolla nei titoli azionari legati alla superconduttività, ad esempio un +60% nel prezzo delle azioni di American Superconductor.

La pretesa è stata immediatamente contestata e si è rivelata difficile da replicare.

Storia della superconduttività LK-99

Ma questa storia non è ancora finita. A gennaio 2024, due altri team di ricerca hanno anche osservato il potenziale di LK-99 per la superconduttività.

Interessantemente, ogni team ha ricreato la propria versione di LK-99 attraverso metodi di produzione diversi, indicando che i risultati osservati sono probabilmente legati al materiale più che a una possibile impurità o errore.

Quindi c’è una certa speranza che non si tratti di un falso allarme. Ciò che sembra essere il caso è che il processo di produzione è, per ora, estremamente inefficiente, rendendolo facile per un test tornare negativo.

Quindi, non è forse una sorpresa che replicare la scoperta iniziale di LK-99 non sia stato affatto semplice.

“… anche i campioni sintetizzati seguendo il processo attualmente noto (quello che hanno utilizzato) tendono ad avere una percentuale elevata di materia non superconduttiva mescolata con i bit presumibilmente superconduttivi. In quel scenario, è facile dichiarare erroneamente i campioni come morti anche dopo averli testati.

uno dei campioni superconduttivi su cui si basava il loro articolo era stato fabbricato a novembre 2023, ritenuto un bidone e stava per essere gettato in più punti della sua vita.”
Tom’s Hardware

Potenziale della superconduttività

Anche se i superconduttori a temperatura ambiente rimangono elusivi, i ricercatori potrebbero trovare un modo per mantenere il materiale superconduttivo a temperature “alte” come -80°C a -70°C.

Ciò cambierebbe completamente le possibili applicazioni, poiché la superconduttività potrebbe allora affidarsi alla tecnologia di raffreddamento utilizzata nei congelatori per il deposito dei vaccini a mRNA invece di elio liquido o azoto più costosi.

Tra le possibili applicazioni già discusse negli anni ’90 ci sono:

• Migliore MRI, con una risoluzione più alta e meno costoso da costruire e gestire, lo rende un esame medico molto più routinario.
• Sistemi di propulsione elettromagnetica (chiamati anche magnetoidrodinamici (MHD) per spingere le navi attraverso l’acqua di mare elettrificata.
• Motori elettrici più potenti e efficienti.
• Batterie più dense e sicure con Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES).
• Limitatori, interruttori e fusibili superconduttivi per migliorare l’infrastruttura della rete elettrica.
• Trasmissione di energia a lunga distanza senza perdite, che potrebbe aumentare l’efficienza dell’energia rinnovabile, ad esempio con pannelli solari ancora al sole che alimentano una città a migliaia di chilometri di distanza.
• Treni a levitazione magnetica o Hyperloop più economici e facili da mantenere.
• Sensori/magnetometri (Dispositivi di interferenza quantistica superconduttiva – SQUIDS) per applicazioni in ambienti industriali.
• Calcolatori quantistici superconduttivi
  • (puoi leggere di più sui progressi del calcolo quantistico nel nostro articolo “Lo stato attuale del calcolo quantistico”).
• Applicazioni difesa e aerospaziale, tra cui scudi contro le radiazioni, lanci elettromagnetici, supporti magnetici, sensori, railgun, coilgun, laser e altre armi ad energia.

Fonte: DOE

Superconduttività e fusione nucleare

La fusione nucleare è un’altra applicazione che trarrebbe grande beneficio dai superconduttori che funzionano a temperature più elevate.

Tutti i vari metodi per raggiungere la fusione nucleare commerciale si basano su potenti magneti per contenere e comprimere il plasma riscaldato a decine o centinaia di milioni di gradi.

Dopo un successo iniziale nel 2021, un team di ricerca al Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT ha lavorato per creare un magnete superconduttivo abbastanza potente da essere utilizzato nei reattori di fusione nucleare.

Il nuovo design del magnete di fusione è superconduttivo a 16°K invece dei precedenti 4°K. Una delle innovazioni chiave è la rimozione di tutte le isolazioni intorno al filo conduttivo del magnete. Ciò, a sua volta, ha liberato spazio per ulteriori miglioramenti, come un processo di fabbricazione più semplice o una maggiore resistenza strutturale.

Fonte: Phys.org

“Prima della dimostrazione del 5 settembre, i migliori magneti superconduttivi disponibili erano abbastanza potenti da poter raggiungere l’energia della fusione, ma solo a dimensioni e costi che non avrebbero mai potuto essere pratici o economicamente sostenibili. Quindi, quando i test mostrarono la praticità di un magnete così forte a una dimensione notevolmente ridotta, “di colpo, cambiò il costo per watt di un reattore di fusione di un fattore di quasi 40 in un solo giorno”

Dennis Whyte – Professore di Ingegneria Hitachi America

Hanno pubblicato le loro scoperte in una raccolta di 6 articoli scientifici pubblicati in IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Hanno spiegato in dettaglio come costruire tali magneti di fusione a 16°K, che generano un campo magnetico intenso come 20 Teslas.

Testare il limite

Ansiosi di dimostrare che il nuovo design del magnete di fusione possa funzionare in modo sicuro, lo hanno anche attivamente messo in situazioni difficili. L’ultimo test ha portato al parziale scioglimento del magnete in un angolo. E anche se la maggior parte degli elementi del magnete è sopravvissuta (95%+), ha dimostrato la robustezza del design.

Ciò che è stato altrettanto impressionante è che il modello dei ricercatori ha previsto perfettamente il modo in cui il magnete è fallito.

L’esperienza ha anche testato la catena di approvvigionamento per tale materiale, utilizzando 300 chilometri (186 miglia) di superconduttore ad alta temperatura in collaborazione con CFS (Commonwealth Fusion Systems, una società spin-off del MIT)

Il futuro del magnete superconduttivo di fusione

Per un po’ di tempo ancora, i reattori di fusione si baseranno su superconduttori ben compresi e testati che utilizzano elio liquido per rimanere al di sotto dei 20°K.

Tuttavia, sembra che la superconduttività a temperature più elevate non sia solo possibile, ma probabilmente fattibile a temperature molto più gestibili.

Nel lungo termine, tali magneti superconduttivi potrebbero aiutare a migliorare le prestazioni dei reattori di fusione, nonché a ridurre i loro costi, consentendo la loro fattibilità commerciale.

Ciò sbloccerebbe una fonte di energia quasi illimitata per l’umanità, rendendo le nostre attuali preoccupazioni riguardanti la produzione di cibo, la desalinizzazione, il cambiamento climatico, i viaggi spaziali, ecc., banali.