Limitações da Supercondutividade

A eletricidade tem sido uma das tecnologias mais transformadoras da história, permitindo a transmissão de uma forma de energia muito útil ao longo de longas distâncias. Mas todo sistema elétrico “normal” enfrenta resistência elétrica, o que resulta na geração de calor quando uma corrente elétrica é aplicada.

Existe uma alternativa: os chamados materiais supercondutores. Materiais supercondutores têm resistência elétrica zero, o que permite o uso de correntes extremamente poderosas sem gerar calor.

Sem a supercondutividade, muitas tecnologias modernas não seriam possíveis, incluindo aceleradores de partículas (por exemplo, o CERN), ressonância magnética (MRI) e trens maglev.

A supercondutividade será um componente crucial dos megaprojetos e inovações tecnológicas mais promissores, como ITER e fusão nuclear, propulsores de massa, computadores quânticos, etc.

Linhas de transmissão elétrica sem perdas também podem ser cruciais para desenvolver conexões de rede ultra‑longas, ajudando a equilibrar a produção de energias renováveis em diferentes condições climáticas e fusos horários, resolvendo algumas das limitações da energia solar e eólica.

O problema até agora é que todas essas aplicações se baseiam na supercondutividade de baixa temperatura, onde os materiais são supercondutores apenas quando resfriados a temperaturas baixas como 20 K/-253 °C/-423 °F, geralmente exigindo hélio líquido.

Isso torna o processo não apenas muito complexo, exceto para as aplicações mais exigentes (maglev, MRI, etc.), mas também muito caro, tornando‑o inviável economicamente para muitas aplicações que poderiam se beneficiar de material supercondutor ou de uso em larga escala.

Múltiplos Caminhos para a Supercondutividade

Outras formas de supercondutividade, além dos materiais ultrafrios, exigem pressão muito alta constante para que o material permaneça supercondutor. Isso pode ser interessante do ponto de vista experimental, mas ainda menos prático para aplicações industriais ou em infraestruturas de energia e transporte.

A supercondutividade de alta temperatura pode se tornar uma opção, notadamente com o caso intrigante de LK-99 (uma forma de apatita de chumbo substituída por cobre – CSLA), um novo tipo de supercondutor de pressão ambiente e temperatura ambiente. A alegação foi imediatamente contestada e criticada como um engano ou erro de medição, mas outros pesquisadores descobriram que pode haver algo acontecendo afinal.

De qualquer forma, o caso do LK-99 ilustra que ainda estamos longe de conhecer tudo sobre o que torna a supercondutividade possível.

Recentemente, a camada dupla torcida de WSe₂ (tungstênio selênio) também apareceu como um bom candidato material.

Pesquisadores da Universidade de Houston, Universidade de Buffalo, Universidade de Illinois, Universidade Nacional Sun Yet‑Sen (Taiwan) e Intellectual Venture estão ampliando o reino dos possíveis materiais supercondutores, eliminando a necessidade de alta pressão exceto durante a fabricação do material.

Eles publicaram seus resultados¹ nos Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), sob o título “Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3”.

Supercondutividade & Pressão

A conexão entre alta pressão e supercondutividade tem sido estudada por mais de 30 anos, desde sua descoberta inicial em 1993. O que acontece é que a pressão modifica o comportamento atômico do material, o que por sua vez afeta suas propriedades elétricas.

“Em 2001, os cientistas suspeitaram que aplicar alta pressão ao BST alterou a topologia de sua superfície de Fermi, levando a um melhor desempenho termelétrico.

Essa conexão entre pressão, topologia e supercondutividade despertou nosso interesse.”

Pr. Liangzi Deng – Pesquisador na Universidade de Houston

Pr. Deng (left) and Pr. Chu (right) – Source: University of Houston

O problema é que, para que um material seja útil em aplicações industriais, ele geralmente precisa apresentar propriedades interessantes quando está em um estado metastável, de modo que possa manter essas propriedades em condições “normais”.

Até agora, a exigência de pressão muito alta não apenas dificultou o estudo de materiais supercondutores nessas condições, mas também tornou muito evasivas quaisquer aplicações práticas futuras, já que não seria viável manter um cabo, ímã ou componente ferroviário sob tais condições de pressão extrema, muito menos do que as exigências de condições ultrafrias para os supercondutores atualmente utilizados.

Resfriamento por Alta Pressão

Manter as propriedades de supercondutividade em pressão normal é o que os pesquisadores acabaram de alcançar.

Para isso, usaram um material semicondutor especial chamado BST (Bismuto‑Antimônio‑Telúrio / Bi_0.5Sb₁.5Te₃). Sob pressões de até ~50 GPa (Gigapascal), ou 500.000 vezes a pressão atmosférica (1 bar), o BST apresenta três fases supercondutoras (BST‑I, ‑II e ‑III), sendo a primeira observada a 4 GPa.

Os pesquisadores desenvolveram um procedimento chamado protocolo de resfriamento por pressão (PQP), permitindo que a fase induzida por pressão persista em pressão ambiente.

Não apenas a fase supercondutora BST‑I foi preservada, mas também as fases BST‑II e ‑III.

Eles usaram um bigorna de diamante para alcançar a pressão extrema necessária.

Source: University of Houston

As propriedades elétricas e magnéticas foram analisadas usando um instrumento muito sensível chamado Magnetization Property Measurement System (MPMS).

Source: University of Houston

Melhorando a Temperatura de Operação

Quando testadas, essas fases supercondutoras não apenas permaneceram inicialmente estáveis em pressão ambiente, mas também mantiveram esses estados ao longo do tempo e quando expostas a temperaturas mais elevadas.

Isso, porém, não significa que se trata de um supercondutor à temperatura ambiente, apenas que as fases são estáveis em pressão normal e capazes de exibir supercondutividade real quando resfriadas.

Sabe‑se que o BST exibe supercondutividade a 10,2 K (-262,9 °C / -441,3 °F). Os pesquisadores descobriram que a despressurização e o protocolo de resfriamento por pressão melhoraram a temperatura de transição do BST, tornando‑o uma boa opção para aprimorar materiais supercondutores existentes.

“Este experimento demonstra claramente que é possível estabilizar a fase induzida por alta pressão em pressão ambiente via uma transição eletrônica sutil sem mudança de simetria, oferecendo um caminho inovador para manter as fases materiais de interesse e valores que normalmente existem apenas sob pressão.

Pr. Paul Chu – Pesquisador na Universidade de Houston

Aplicações Futuras

Embora não crie imediatamente material supercondutor, isso abre caminho para um novo método de descobrir e projetar materiais supercondutores.

Até agora, a supercondutividade de alta pressão tinha muito poucas aplicações práticas, e um supercondutor à temperatura ambiente precisava exibir essa característica independentemente do efeito da pressão.

Se o protocolo de resfriamento por pressão puder ser generalizado, isso poderá ajudar a estabilizar, em condições normais, materiais supercondutores promissores, mas que até agora só funcionavam sob alta pressão.

“Interessantemente, este experimento revelou uma abordagem inovadora para descobrir novos estados da matéria que não existem originalmente em pressão ambiente ou mesmo sob condições de alta pressão.

Ele demonstra que o PQP é uma ferramenta poderosa para explorar e criar regiões inexploradas dos diagramas de fase dos materiais.

Pr. Liangzi Deng – Pesquisador na Universidade de Houston

Também poderia melhorar supercondutores conhecidos, elevando sua temperatura de transição.

Isso poderia abrir caminho para estados sucessivos, tornando possível criar um supercondutor que funcione com “apenas” 78 K (-195 °C / -319 °F), ou seja, o ponto de ebulição do nitrogênio líquido, um refrigerante muito mais fácil de manusear que o hélio líquido, que, por exemplo, é atualmente usado nos ímãs supercondutores do ITER.

Empresa de Supercondutividade

A AMSC é uma empresa que fornece soluções energéticas para a rede elétrica, navios e energia eólica. Em geral, quanto mais faminto por energia ou massivo for um sistema, mais ele requer tecnologia supercondutora para evitar superaquecimento.

Apesar do nome, a ASMC fornece não apenas sistemas supercondutores, mas também, por exemplo, transmissões de engrenagens para turbinas eólicas.

A empresa está impulsionada por múltiplos fatores de crescimento, desde a tendência de eletrificação e digitalização (incluindo data centers de IA), até a relocalização das capacidades de manufatura dos EUA e a necessidade de marinhas do mundo anglófono se modernizarem em resposta ao aumento dos riscos geopolíticos.

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

No segmento de fornecimento de energia, a AMSC tem observado um aumento constante nos pedidos. Isso foi impulsionado por fábricas de semicondutores que buscam proteção contra flutuações da rede elétrica, ajudando a rede a lidar com a natureza intermitente das renováveis, e por suprimentos de energia & controles em sites industriais.

Source: American Superconductor Corporation

No segmento de turbinas eólicas, a AMSC está principalmente ativa com o Sistema de Controle Elétrico (ECS). Historicamente, o ESC foi um segmento forte para a empresa com turbinas eólicas de 2 MW, mas tem diminuído progressivamente. A AMSC busca uma recuperação graças ao novo design de turbina de 3 MW, com foco especial no mercado indiano.

Source: American Superconductor Corporation

Para navios militares, a ASMC fornece o “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, um sistema para alterar a assinatura magnética dos navios e protegê‑los contra minas marítimas. Este é vendido às marinhas dos EUA, Canadá e Reino Unido, com pedidos totalizando US$ 75 milhões até o momento.

No geral, a ASMC tem melhor desempenho ao aproveitar a tecnologia supercondutora em aplicações de nicho viáveis hoje, ao passo que provavelmente está pronta para implantar avanços adicionais no futuro. Também deve ser observado pelos investidores que a ação tem experimentado extrema volatilidade no passado, devendo os riscos ser calculados adequadamente.

Referência do Estudo:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}