Progresso na Supercondutividade Abrindo Caminho para uma Nova Revolução Tecnológica

Limites da Supercondutividade

Electricidade 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 enfrenta resistência elétrica, o que resulta na geração de calor quando uma corrente elétrica é aplicada.

Existe uma alternativa, o chamado material supercondutor. Materiais supercondutores têm resistência elétrica zero, o que permite o uso de correntes extremamente poderosas sem gerar calor ou campos magnéticos intensos.

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

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

Para algumas aplicações, como ímãs em reatores de fusão experimentais, a temperatura necessária pode ser tão baixa quanto 4 K (apenas 4 graus acima do zero absoluto), embora isso esteja melhorando (veja abaixo).

Temperaturas tão extremamente baixas são difíceis de manter e consomem muita energia. Portanto, embora outras tecnologias e aplicações possam se beneficiar da supercondutividade, raramente é economicamente viável fazê-lo.

Supercondutividade de Alta Temperatura

É por isso que a perspectiva de materiais capazes de permanecer supercondutores em temperaturas mais altas é empolgante. Nesse contexto, “alta” temperatura pode ser tão fria quanto -185 °C a -135 °C, mas isso é muito mais fácil de alcançar do que a temperatura supercondutora tradicional, usando nitrogênio líquido em vez de hélio líquido.

Mas, claro, o material ideal seria supercondutor em temperaturas logo abaixo de zero ou até mesmo à temperatura ambiente.

Supercondutividade à Temperatura Ambiente

No verão de 2023, uma notícia viralizou após a publicação de um artigo científico intitulado “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor“. Um material chamado LK-99 foi descrito como funcionando como supercondutor até 127 °C/260 °F. O fato de usar materiais comuns como cobre e chumbo (apatita de chumbo substituída por cobre – CSLA) apenas aumentou o potencial da descoberta.

Cristais de cobre – Fonte: DOE

Isso até desencadeou uma microbolha nas ações relacionadas à supercondutividade, por exemplo, um aumento de +60 % nas ações da American Superconductor (AMSC ).

A alegação foi imediatamente contestada e considerada difícil de replicar.

História da Supercondutividade do LK-99

Mas essa história ainda não acabou. Em janeiro de 2024, duas outras equipes de pesquisa também observaram o potencial do LK-99 para supercondutividade.

Curiosamente, cada equipe recriou sua própria versão do LK-99 por meio de diferentes métodos de fabricação, indicando que os resultados observados provavelmente estão ligados ao material mais do que a alguma impureza ou erro possível.

Portanto, há alguma esperança de que isso não seja um alarme falso. O que parece ser o caso é que o processo de fabricação é, por enquanto, extremamente ineficiente, facilitando que um teste dê resultado negativo.

Assim, talvez não seja surpresa que replicar a descoberta inicial do LK-99 tenha sido tudo menos simples.

“…mesmo as amostras sintetizadas seguindo o processo atualmente mais conhecido (aquele que eles empregaram) tendem a ter uma alta porcentagem de material não supercondutor misturado com as partes supostamente supercondutoras. Nesse cenário, é fácil declarar erroneamente as amostras como inativas mesmo após testá‑las.

uma das amostras supercondutoras em que basearam seu artigo foi fabricada em novembro de 2023, considerada um fracasso, e estava prestes a ser descartada em vários momentos de sua vida.”

Source: Tom’s Hardware

Potencial da Supercondutividade

Mesmo que supercondutores à temperatura ambiente continuem elusivos, os pesquisadores podem encontrar uma maneira de manter o material supercondutor em temperaturas tão “altas” quanto -80 °C a -70 °C.

Isso mudaria completamente as possíveis aplicações, pois a supercondutividade poderia então depender da tecnologia de refrigeração usada em freezers que armazenam vacinas de mRNA, em vez de hélio ou nitrogênio líquido mais caros.

Entre as possíveis aplicações já discutidas na década de 1990 estão:

• Melhor MRI, com maior resolução e mais barato de construir e operar, permitindo que se torne um exame médico muito mais rotineiro.
• Sistemas de propulsão eletromagnética (também chamados de magnetohidrodinâmicos (MHD) drives) para impulsionar navios eletrificando a água do mar.
• Mais poderosos e eficientes motores elétricos.
• Baterias de maior densidade e mais seguras com Armazenamento de Energia Magnética Supercondutora (SMES).
• Limitadores, interruptores e fusíveis supercondutores para melhorar a infraestrutura da rede elétrica.
• Transmissão de energia de longa distância sem perdas, o que poderia aumentar a eficiência de energia renovável, por exemplo, com painéis solares ainda ao sol alimentando uma cidade a milhares de quilômetros de distância.
• Trens maglev mais baratos e fáceis de manter ou, posteriormente, sistemas Hyperloop.
• Sensores/magnetômetros (Dispositivos de Interferência Quântica Supercondutores – SQUIDS) para aplicação em ambientes industriais.
• Computação quântica supercondutora
  • (você pode ler mais sobre o progresso da computação quântica em nosso artigo “The Current State of Quantum Computing ”).
• Aplicações de defesa & aeroespaciais, incluindo escudos de radiação, lançamentos eletromagnéticos, rolamentos magnéticos, sensores, canhões eletromagnéticos, canhões de bobina, lasers e outras armas de energia.

Fonte: DOE

Supercondutividade e Fusão Nuclear

A fusão nuclear é outra aplicação que se beneficiaria enormemente de supercondutores que funcionam em temperaturas mais altas.

Todos os diversos métodos de alcançar a fusão nuclear comercial dependem de ímãs extremamente poderosos para conter e comprimir o plasma aquecido a dezenas ou centenas de milhões de graus.

Após um sucesso inicial em 2021, uma equipe de pesquisa no Plasma Science and Fusion Center (PSFC) do MIT trabalhou na criação de um ímã supercondutor suficientemente poderoso para ser utilizável em reatores de fusão nuclear.

O novo design de ímã de fusão é supercondutor a 16 K em vez dos anteriores 4 K. Uma inovação chave é a remoção de todo o isolamento ao redor do fio condutor do ímã. Isso, por sua vez, liberou espaço para melhorias adicionais, como um processo de fabricação mais simples ou maior resistência estrutural.

Fonte: Phys.org

“Antes da demonstração de 5 de setembro, os melhores ímãs supercondutores disponíveis eram poderosos o suficiente para potencialmente alcançar energia de fusão — mas apenas em tamanhos e custos que nunca poderiam ser práticos ou economicamente viáveis. Então, quando os testes mostraram a praticidade de um ímã tão forte em tamanho muito reduzido, “da noite para o dia, basicamente mudou o custo por watt de um reator de fusão em um fator de quase 40 em um dia”.

Dennis Whyte – Professor de Engenharia da Hitachi America

Eles publicaram suas descobertas em uma compilação de 6 artigos científicos publicados em IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Eles explicaram em detalhe como construir tais ímãs de fusão a 16 K, que geram um campo magnético tão intenso quanto 20 teslas.

Testando o Limite

Ansiosos para provar que o novo design de ímã de fusão pode operar com segurança, eles também o submeteram ativamente a situações difíceis. O último teste resultou no derretimento parcial do ímã em um canto. E mesmo assim a maioria dos elementos do ímã sobreviveu (mais de 95 %), demonstrando a robustez do design.

O que foi igualmente impressionante é que o modelo dos pesquisadores previu perfeitamente a forma como o ímã falhou.

A experiência também testou a cadeia de suprimentos para tal material, usando 300 quilômetros (186 milhas) de supercondutor de alta temperatura em colaboração com CFS (Commonwealth Fusion Systems, uma empresa derivada do MIT)

O Futuro do Ímã Supercondutor de Fusão

Por mais algum tempo, os reatores de fusão dependerão de supercondutores bem compreendidos e testados que utilizam hélio líquido para permanecer abaixo de 20 K.

No entanto, parece que a supercondutividade de alta temperatura não é apenas possível, mas provavelmente viável em temperaturas muito mais manejáveis.

A longo prazo, tais ímãs supercondutores poderiam ajudar a melhorar o desempenho dos reatores de fusão, bem como reduzir seu preço, permitindo viabilidade comercial.

Isso desbloquearia uma fonte de energia quase ilimitada para a humanidade, tornando nossos problemas atuais relacionados à produção de alimentos, dessalinização, mudanças climáticas, viagens espaciais, etc., triviais.