Progresso nella Superconduttività Aprendo la Via a una Nuova Rivoluzione Tecnologica

Limiti della Superconduttività

L’elettricità è stata una delle tecnologie più importanti della storia, perché consente di trasportare energia su lunghe distanze. Nei conduttori ordinari, però, la resistenza elettrica trasforma parte dell’energia in calore quando passa corrente.

Un’alternativa è offerta dai materiali superconduttori. Nello stato superconduttivo presentano resistenza elettrica nulla e possono trasportare correnti elevate senza le normali perdite resistive. Possono inoltre essere impiegati per generare campi magnetici intensi; la superconduttività non significa assenza di tali campi in ogni applicazione.

I superconduttori sono fondamentali per numerose applicazioni moderne, tra cui alcuni acceleratori di particelle, apparecchi per risonanza magnetica e sistemi di levitazione magnetica.

Molte applicazioni richiedono temperature molto basse. A seconda del materiale e delle condizioni operative, possono essere necessari circa 20 K, equivalenti a −253 °C, o temperature ancora inferiori. Il metodo di raffreddamento varia in base al sistema.

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).

Mantenere temperature così basse è tecnicamente impegnativo e richiede energia. Per questo il costo della refrigerazione può limitare applicazioni che altrimenti trarrebbero vantaggio dalla superconduttività.

Superconduttività ad Alta Temperatura

Per questo è interessante sviluppare materiali che restino superconduttori a temperature più elevate. In questo contesto, una temperatura «alta» può comunque essere compresa fra −185 °C e −135 °C  ed è dunque ancora molto bassa. Alcuni superconduttori ad alta temperatura possono essere raffreddati con azoto liquido anziché con elio, a seconda della temperatura critica e delle condizioni operative.

L’obiettivo più ambizioso sarebbe un materiale superconduttore vicino al punto di congelamento dell’acqua o persino a temperatura ambiente, senza pressioni estreme.

Superconduttività a Temperatura Ambiente

Nell’estate del 2023, una notizia divenne virale dopo la pubblicazione di un articolo scientifico intitolato «Il Primo Superconduttore a Temperatura Ambiente e Pressione Atmosferica». Gli autori sostenevano che il materiale LK-99 fosse superconduttore fino a circa 127 °C. La presenza di elementi comuni, come rame e piombo nell’apatite di piombo sostituita con rame, aumentò l’interesse. Si trattava però di un’affermazione da verificare, non di una scoperta confermata.

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

La discussione proseguì. Nel gennaio 2024, furono riportate nuove osservazioni presentate come possibili indizi di superconduttività in materiali collegati a LK-99.

I gruppi usarono metodi di preparazione differenti. Questo, da solo, non dimostra che i segnali osservati siano dovuti alla superconduttività né esclude effetti di impurità o altre proprietà magnetiche.

I risultati richiedevano verifiche indipendenti e misure coerenti di resistenza e comportamento magnetico. Le difficoltà di preparazione dei campioni non costituiscono una prova della superconduttività di LK-99.

La riproduzione delle affermazioni iniziali si è quindi rivelata problematica. Il passo citato di seguito descrive l’interpretazione riportata dalla fonte giornalistica, non una conferma indipendente:

“…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

Anche senza un superconduttore a temperatura ambiente, materiali utilizzabili fra −80 °C e −70 °C potrebbero ampliare le applicazioni. È una possibilità di ricerca, non una prestazione dimostrata per LK-99.

Questo cambierebbe completamente le possibili applicazioni, perché la superconduttività potrebbe basarsi sulla tecnologia di raffreddamento usata nei congelatori che conservano i vaccini a mRNA, invece che sui più costosi elio o azoto liquidi.

Tra le possibili applicazioni già discusse negli anni ’90 figurano:

• Risonanza magnetica migliore, con la possibilità di migliorare la risoluzione e ridurre i costi di costruzione e gestione.
• Sistemi di propulsione a spinta elettromagnetica (basati sulla magnetoidrodinamica (MHD)), per spingere le navi mediante l’interazione fra correnti elettriche e campi magnetici nell’acqua di mare.
• Possibili miglioramenti di potenza ed efficienza nei motori elettrici.
• Sistemi di accumulo dell’energia tramite accumulo magnetico superconduttivo (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 per la difesa e il settore aerospaziale, inclusi scudi antiradiazioni, lanci elettromagnetici, cuscinetti magnetici, sensori, railgun, coilgun, laser e altre armi energetiche.

Fonte: DOE

Superconduttività e Fusione Nucleare

La fusione nucleare a confinamento magnetico è un’altra applicazione che potrebbe beneficiare di superconduttori utilizzabili a temperature più elevate.

Le configurazioni a confinamento magnetico utilizzano campi molto intensi per contenere il plasma ad altissima temperatura. Non tutti gli approcci alla fusione, però, si basano su magneti: il confinamento inerziale, per esempio, segue un principio diverso.

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 magnete basato su REBCO descritto dal MIT può operare a circa 20 K, ossia 16 K in più rispetto ai circa 4 K di molti magneti precedenti. Una delle innovazioni è l’assenza di isolamento attorno ai nastri superconduttori, che rende possibili una diversa progettazione e una migliore utilizzazione dello spazio.

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 — titolare della cattedra Hitachi America di ingegneria

I ricercatori hanno pubblicato i risultati in una raccolta di sei articoli scientifici su IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Gli articoli descrivono progettazione, costruzione e prove del magnete, capace di generare un campo di circa 20 tesla a una temperatura operativa di circa 20 K.

Testare il Limite

Per studiare i limiti del progetto, i ricercatori hanno sottoposto il magnete anche a condizioni estreme. L’ultima prova ha causato danni localizzati in un angolo, mentre oltre il 95% del magnete è rimasto integro. Si trattava di una prova intenzionale del comportamento in caso di guasto.

I modelli dei ricercatori hanno inoltre previsto correttamente il comportamento del magnete durante il guasto.

Il progetto ha messo alla prova anche la filiera dei materiali, utilizzando circa 300 chilometri di nastro superconduttore ad alta temperatura in collaborazione con CFS (Commonwealth Fusion Systems, uno spin-off del MIT)

Il Futuro del Magnete Superconduttivo per la Fusione

Le applicazioni di fusione a confinamento magnetico continuano a richiedere sistemi criogenici. Materiali convenzionali e REBCO possono operare a temperature diverse; «alta temperatura» non equivale, in questo contesto, a temperatura ambiente.

I progressi nei materiali e nella progettazione possono rendere i magneti più pratici ed efficienti anche quando il raffreddamento rimane necessario.

Nel lungo periodo, questi magneti superconduttori potrebbero migliorare le prestazioni dei reattori a fusione e ridurne i costi, rendendoli commercialmente sostenibili.

Se la fusione commerciale diventasse tecnicamente ed economicamente praticabile, potrebbe contribuire all’approvvigionamento energetico e alla decarbonizzazione. Non risolverebbe però automaticamente tutte le difficoltà legate a produzione alimentare, desalinizzazione, clima o viaggi spaziali.