Subiendo la temperatura: las cerámicas superconductoras
Aunque hoy en día no se conoce con certeza el mecanismo que produce la
superconductividad en las cerámicas superconductoras, parece ser que,
a diferencia de los superconductores clásicos, la forma concreta en
que se disponen los átomos del cristal
representa un papel muy importante en la aparición del fenómeno. La
mayoría de estas cerámicas son conductoras por encima de su punto de
transición, debido a las peculiaridades del enlace entre los átomos de
cobre y oxigeno que forman el núcleo
(cuprato) de su composición. Estos átomos se disponen en forma de
capas alternas dentro del material, permitiendo que un cierto número
de electrones puedan desplazarse entre los mismos sin resistencia
alguna. Todavía no esta muy claro el porqué
son superconductores estos materiales aunque la opinión más
generalizada es que este fenómeno está muy relacionado con el
magnetismo. En la cerámica descubierta por Bednorz y Muller se ha
observado que, por encima de la temperatura crítica,
exhibe un forma particular de magnetismo. Pero, por debajo de la
temperatura de transición, se modifica la estructura cristalina (u
ordenamiento de los átomos), destruyendo el magnetismo y el material
se vuelve superconductor
Los descubrimientos asociados a estos materiales han desbocado la
carrera por la alta temperatura: el brillo del grial, el
superconductor de temperatura ambiente, deslumbra los ojos de muchos.
Pero los obstáculos son todavía enormes. Uno de los
mas importantes apareció apenas se empezaron a estudiar las
propiedades de estos materiales dentro de un campo magnético.
La teoría básica del comportamiento de un superconductor respecto a un
campo magnético externo fue descrita por el físico ruso Alexei A.
Abrikosov en los años cincuenta. De acuerdo con esta teoría, basada en
los trabajos de Ginzburg y Landau, un
superconductor convencional presenta tres estados magnéticos
diferentes. En el primero, llamado estado Meissner, el campo magnético
es expulsado casi completamente del interior de material. Apenas
penetran en el superconductor las líneas de campo
del imán aparecen unas corrientes superficiales que generan un campo
magnético propio que las repelen. Si continuamos aumentando la
intensidad del campo magnético aplicado, el mismo consigue por fin
abrirse paso a través del superconductor.
Pero en una primera fase lo hace en forma de líneas de campo
discretas, pequeños "agujeros" formados por material normal en medio
del material superconductor. Las corrientes superficiales del estado
anterior circulan alrededor de estas agujeros
por los que pasan la líneas de fuerza del imán: de aquí les viene el
nombre de vórtices por el que se les conoce. En un superconductor
clásico los vórtices están organizados siguiendo una red triangular
regular. En el tercer estado, si el campo
aumenta por encima de un valor critico los núcleos de vórtices se
amontonan hasta que todo el material se comporta como un metal normal
y desaparece el efecto superconductor. Los problemas aparecieron
cuando se descubrió que los maravillosos
superconductores de alta temperatura no seguían este modelo: al
aplicarles un campo de unas diez teslas (20000 veces la intensidad del
campo magnético terrestre) la resistencia del material no solo no
disminuía... ¡sino que en ocasiones se
hacia cien veces superior a la del cobre! La razón se descubrió
pronto: los vórtices en las cerámicas superconductoras no permanecen
fijos en una estructura triangular rígida, sino que se funden en un
estado parecido al líquido, en el que los
vórtices se van desplazando caóticamente. Puesto que cada vórtice esta
constituido por una corriente eléctrica que circula alrededor de un
núcleo de materia normal no superconductora, al aplicar una corriente
eléctrica adicional a la muestra esta
se suma a la corriente que circula a un lado del vórtice y se resta a
la del otro. Como resultado se produce una fuerza que actual sobre la
línea de vórtice semejante a la que aparece en el ala de un avión y
que se conoce como fuerza de Magnus. Si
las líneas de vórtices se mueven debido a esta fuerza gastaran energía
de la corriente y aparecerá una resistencia eléctrica, que es
precisamente lo que intentábamos evitar. Hoy en día se trabaja
intensamente para solucionar este problema. Una de las
estrategias que mas éxito ha tenido ha sido la de fijar los vórtices
mediante impurezas astutamente colocadas (dopaje): de esta forma
consigue equipararse su comportamiento al de un superconductor
clásico, al impedir el desplazamiento de los
vórtices y el que este movimiento extraiga energía de la corriente suministrada.
El segundo gran obstáculo que apareció es que las cerámicas
superconductoras sólo conseguían transmitir una cantidad limitada de
electricidad sin ofrecer resistencia, debido a la estructura en capas
del material: si las capas no se alinean perfectamente los electrones
chocan contra la frontera de la región desalineada y se frenan. Este
problema se ve empeorado en presencia de un campo magnético. Una
estrategia exitosa en este campo ha consistido en alinear las capas de
cuprato cuidadosamente, a fin de reducir al mínimo las
discontinuidades. Para ello se depositan capas micrométricas de
material
sobre substratos bien alineados, utilizando las mismas técnicas que se
emplean para la fabricación de circuitos integrados.
La combinación de estas dos tecnologías ha conseguido resultados
espectaculares: actualmente se manejan densidades de corriente sobre
un YCBO del orden de un millón de amperios por centímetro cuadrado,
que descienden a 400.000 en un campo de
9 teslas... mientras que al principio el YCBO solo permitía el paso de
10 amperios por centímetro cuadrado y perdía toda conductividad en un
campo de 0,01 tesla. Estos valores de conductividad ya son comparables
a los de los superconductores
tradicionales.
El ultimo gran inconveniente que presentan las cerámicas
superconductoras es precisamente ese: que son cerámicas.
¿Os imagináis intentando enrollar un plato hasta formar un canuto, o
estirándolo en un hilo de 1 kilometro de longitud?.
El YCBO y sus parientes son cerámicas, frágiles y difíciles de
manufacturar en forma de cable. También se ha propuesto varias
soluciones a este problema. En una de ellas, se introduce el polvo a
partir del que se obtiene la cerámica en el interior de un tubo de
plata, que se enrolla y prensa en cables. Después simplemente se cuece
este material en una atmósfera de oxigeno para conseguir el
superconductor: el resultado puede vérselas con corrientes del orden
de 35000 amperios por centímetro cuadrado a la temperatura del
nitrógeno liquido. La otra solución ya la hemos comentado más arriba:
crear una
capa de cerámica sobre un soporte flexible lo bastante gruesa como
para conducir una gran cantidad de corriente y lo bastante fina como
para ser doblada sin problemas. Después de todo, la resistencia
aparece cuando al doblarse se producen
desalineamientos en las hileras de granos superconductores: al
utilizar un soporte cristalino, los granos del superconductor se
orientan perfectamente en la dirección de los cristales... al tiempo
que son capaces de flexionarse junto con la base
sobre la que se encuentran. Gracias a esta técnica se han producido
muestras de YCBO sobre circonio estabilizado capaces de transportar
corrientes como las que comentábamos en el párrafo anterior.
Y los superconductores: ¿para que sirven?
Si algún día los superconductores de temperatura ambiente llaman a
nuestra puerta nos veremos inmersos en una revolución tecnología sin
precedentes. Pero aunque no lo hagan, ya existen muchos equipos que
utilizan la superconductividad en su
funcionamiento. A continuación daremos un repaso a las aplicaciones
mas espectaculares de este fenómeno.
* El SQUID o dispositivo superconductor de interferencia cuántica, fue
una de las primeras aplicaciones comerciales de la superconductividad.
Basado en las uniones Josephson, son captadores magnéticos
extraordinariamente sensibles que permiten
medir campos magnéticos y tensiones eléctricas increíblemente débiles,
con una resolución del orden del picovoltio, una billonésima de
voltio. Los SQUID llevan utilizándose ininterrumpidamente desde los
años 60 en multitud de aplicaciones:
detección súper precisa de las señales eléctricas del cerebro y el
corazón, comprobación no destructiva de tuberías y puentes (la fatiga
del metal produce una firma magnética peculiar), paleomagnetismo,
sensores geológicos para prospecciones
petrolíferas, equipos militares de detección de sumergibles y un largo etcétera.
* Aparatos de formación de imágenes por resonancia magnética, más
conocidos como RMN. Con esta técnica se coloca una sustancia en un
campo magnético intenso que modifica el spin de los núcleos de
determinados iones. Después, se somete a la
muestra a una onda de radio que reorienta los núcleos. Al desaparecer
la excitación se libera un pulso de energía que proporciona
información sobre la estructura molecular de la sustancia... y que
puede transformarse en una imagen mediante
técnicas informáticas. El RMN es una herramienta casi indispensable
para la formación de imágenes del cerebro, y con el advenimiento de
los superconductores de alta temperatura podrá convertirse en una
maquina mucho mas pequeña y barata: los
superconductores clásicos enfriados por helio requieren voluminosos y
delicados equipos de refrigeración. En cambio, el nitrógeno liquido es
sencillísimo de producir y utilizar.
* Ordenadores mas rápidos. Otra aplicación de las uniones Josephson es
la posibilidad de fabricar transistores basados en ellas. Estos
circuitos podrían activarse y desactivarse muy rápidamente con un
consumo de potencia mínimo. En teoría, un
ordenador basado en el efecto Josephson sería 50 veces más rápido que
uno convencional, aunque hasta hoy no ha sido construido debido a
problemas de fiabilidad, de interfaces y a la dificultad de competir
con un adversario tan poderoso
como los circuitos de silicio (muchísimo mas económicos y sencillos de
utilizar).
* ¿Necesita usted un campo magnético inmenso?: no lo dude, ponga un
superconductor en su vida. En todas aquellas aplicaciones en que sean
necesarios campos de una intensidad enorme, los superconductores
clásicos no tienen rival.
La forma mas evidente de crear un campo magnético es mediante una
bobina de cable enrollado, que al ser atravesada por una corriente
eléctrica crea un campo directamente proporcional a la intensidad de
la misma. Pero el campo máximo que
podemos generar no es muy grande, ya que al incrementar la corriente
los cables comienzan a calentarse peligrosamente debido a la
resistencia eléctrica. Con los superconductores no pasa esto: su
resistencia es cero y pueden producir campos
magnéticos altísimos. La aplicación típica en este caso son los
aceleradores de partículas como el Tevatron del Fermilab en EE.UU. con
una capacidad de un teraelectrón voltio (TeV), equivalente a un billón
de voltios.
* Los imanes basados en superconductores de alta temperatura todavía
están lejos de estos márgenes... aunque ya se pueden conseguir imanes
de cerámicas superconductoras que pueden generar un campo de dos
teslas, cinco veces mayor que el
que se puede conseguir con un imán permanente. Estos imanes se
utilizan por ejemplo en los trenes de alta velocidad sobre cojín
magnético (MAGLEV). Los trenes tipo SED (suspensión electrodinámica)
japoneses pueden desplazarse de 320 a 500 Km/h
mediante imanes superconductores que inducen corrientes en las bobinas
conductoras de las guías. Esta interacción eleva al vehículo unos 15
cm del suelo, como si fuera un avión en vuelo rasante. A menos de 100
Km/h, este vehículo circula sobre
ruedas como un tren convencional.
* Transporte de energía mediante cables eléctricos, transformadores de
corriente y conmutadores de potencia. De este modo se podría reducir
el recibo de la luz al compensarse el importante porcentaje de energía
eléctrica que se disipa en
forma de calor debido a la resistencia eléctrica. También podrían
utilizarse como limitadores de corriente, proporcionándonos un voltaje
mas estable. Hace poco, el Departamento de Energía de Estados Unidos
ha anunciado el primer proyecto de uso comercial a gran escala de los
superconductores de alta temperatura. Se pretenden instalar cables
superconductores de unos 130 metros en una subestación eléctrica de
Detroit. Se sustituirán los cables de cobre de tal manera que la nueva
instalación albergara una capacidad tres veces mayor (24000 voltios).
Sin embargo, el principal
inconveniente para que esta prueba se generalice es el alto coste, ya
que se han presupuestado unos 5,5 millones de dólares.
* Almacenamiento de energía mediante superconductores magnéticos de
almacenamiento de energía (SMES). Este sistema consiste en "cargar"
una bobina superconductora de electricidad y luego cerrarla formando
un anillo. La corriente
teóricamente circularía sin perdidas, y cuando hubiera que utilizarla
bastaría con abrirla y extraer la cantidad necesaria.
Este sistema se ha propuesto, por ejemplo, para el almacenamiento de
energía en vehículos eléctricos.
* Combinación de corrientes y magnetismo para la generación de
potencia y trabajo, como motores y generadores
eléctricos muchísimo mas eficientes.
* Investigación espacial. En el espacio, protegidos de la luz solar,
es fácil conseguir temperaturas dentro del rango funcional de los
superconductores de alta temperatura. En este aspecto la NASA ha
financiado diferentes estudios sobre
sensores y elementos de actuación electromecánicos con vistas a su
utilización en naves espaciales...
Publicado por Jhon Ender Duque Valderrama en 14:27
CRF
http://supercondutivity.blogspot.com/2010/02/jhon-ender-duque-v_10.html
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