Progresso nella Superconduttività Aprendo la Via a una Nuova Rivoluzione Tecnologica

Limiti 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 electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

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

Senza la superconduttività, molte tecnologie moderne non sarebbero possibili, tra cui acceleratori di particelle, risonanza magnetica (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 molto basse come 20 K/-253 °C/-423 °F, anche con elio liquido.

Per alcune applicazioni, come i magneti nei reattori di fusione sperimentali, la temperatura richiesta può scendere fino a 4 K (solo 4 gradi sopra lo zero assoluto), sebbene la situazione stia migliorando (vedi sotto).

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.

Superconduttività ad Alta Temperatura

This is why the prospect of materials being able to stay superconductive at higher temperatures is an exciting prospect. In that context, la “alta” temperatura può essere fredda come -185 °C a -135 °C but this is a lot more easy to reach than the traditional superconductive temperature, using liquid nitrogen instead of liquid helium.

But of course, the ideal material would be superconductive at temperatures just below freezing or even room temperature.

Superconduttività a Temperatura Ambiente

In the summer of 2023, a piece of notizie è diventato virale after the publication of a scientific article titled “Il Primo Superconduttore a Temperatura Ambiente e Pressione Atmosferica”. A material called LK-99 was described as working as a superconductor up to 127°C/260°F. That it used common materials like copper and lead (copper-substituted lead apatite – CSLA) only added to the potential of the discovery.

Cristalli di rame – Fonte: DOE

Ha persino innescato una micro-bolla nelle azioni legate alla superconduttività, ad esempio un +60 % sui prezzi delle azioni di American Superconductor (AMSC ).

L’affermazione è stata immediatamente contestata e si è scoperto che è difficile da replicare.

Storia della Superconduttività di LK-99

But this story is not over yet. In gennaio 2024, due altri team di ricerca hanno anche osservato il potenziale di LK-99 per la superconduttività.

Curiosamente, 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 qualche possibile impurità o errore.

Quindi c’è qualche speranza che non si tratti di un falso allarme. Quello che sembra emergere è che il processo di produzione è, per ora, estremamente inefficiente, rendendo facile che un test risulti negativo.

So, it is perhaps no surprise that replicating the initial discovery of LK-99 has been anything but straightforward.

“…anche i campioni sintetizzati seguendo il processo attualmente più noto (quello da loro impiegato) tendono ad avere un’alta percentuale di materia non superconduttiva mescolata con le parti presumibilmente superconduttive. In quello scenario, è facile dichiarare erroneamente i campioni come difettosi anche dopo averli testati.

uno dei campioni superconduttivi su cui hanno basato il loro articolo è stato fabbricato nel novembre 2023, è stato ritenuto un fallimento e stava per essere scartato in diversi momenti della sua vita.

Fonte: Tom’s Hardware

Potenziale della Superconduttività

Even if room-temperature superconductors remain elusive, researchers may find a way to keep material superconductive at temperatures as “high” as -80°C to -70°C.

This would completely change the possible application, as superconductivity can then rely on cooling technology used in freezers storing mRNA vaccines instead of more expensive liquid helium or nitrogen.

Among the possibili applicazioni già discusse negli anni ’90 are:

• MRI migliore, con risoluzione più alta e più economico da costruire e gestire, permette di diventare un esame medico molto più di routine.
• Sistemi di propulsione a spinta elettromagnetica (anche chiamati magnetoidrodinamico (MHD) drives) per spingere le navi attraverso l’elettrificazione dell’acqua di mare.
• Motori elettrici più potenti ed efficienti motori elettrici.
• Batterie ad alta densità e più sicure con Stoccaggio di Energia Magnetica Superconduttiva (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 più economici e facili da mantenere o, in seguito, sistemi Hyperloop.
• Sensori/magnetometri (Dispositivi di Interferenza Quantistica Superconduttiva – SQUID) per applicazioni in contesti industriali.
• Calcolo quantistico superconduttivo
  • (puoi leggere di più sui progressi del calcolo quantistico nel nostro articolo “Lo Stato Attuale del Calcolo Quantistico”).
• Applicazioni difesa e aerospaziali, inclusi scudi antiradiazioni, lanci elettromagnetici, cuscinetti magnetici, sensori, railgun, coilgun, laser e altre armi energetiche.

Fonte: DOE

Superconduttività e Fusione Nucleare

Nuclear fusion is another application that would greatly benefit from superconductors working at higher temperatures.

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

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

Il nuovo design del magnete per fusione è superconduttivo a 16 K invece dei precedenti 4 K. Un’innovazione chiave è la rimozione di tutta l’isolamento attorno al filo conduttivo del magnete. Questo, 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 sufficientemente potenti da potenzialmente raggiungere l’energia di fusione — ma solo a dimensioni e costi che non sarebbero mai stati pratici o economicamente sostenibili. Poi, quando i test hanno dimostrato la praticità di un magnete così forte a dimensioni notevolmente ridotte, “in una notte, ha praticamente cambiato il costo per watt di un reattore di fusione di un fattore quasi 40 in un solo giorno”.

Dennis Whyte – Hitachi America Professore di Ingegneria

They published their discoveries in una compilazione di 6 articoli scientifici pubblicati su IEEE Transactions on Applied Superconductivity. They explained in detail how to build such 16°K fusion magnets, which generate a magnetic field as intense as 20 Teslas.

Testare il Limite

Eager to prove the new fusion magnet design can perform safely, they also actively put it in difficult situations. The last test resulted in the magnet partially melting in one corner. And even most of the magnet elements survived (95%+), demonstrating the robustness of the design.

What was equally impressive is that the researchers’ model perfectly predicted the way the magnet failed.

The experience also tested the supply chain for such material, using 300 kilometers (186 miles) of high-temperature superconductor in collaboration with CFS (Commonwealth Fusion Systems, una spin-off del MIT)

Il Futuro del Magnete Superconduttivo per la Fusione

For a while longer, fusion reactors will rely on well-understood and tested superconductors using liquid helium to stay below 20°K.

However, it appears that higher-temperature superconductivity is not only possible but likely to be doable at much more manageable temperatures.

In the long term, such superconductive magnets could help improve fusion reactors’ performance, as well as bring down their price, allowing for commercial viability.

This would unlock an almost unlimited energy source for humankind, making our current issues regarding food production, desalination, climate change, space travel, etc., trivial.