Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

La carrera de los superconductores más calientes

Si existieran materiales con propiedades superconductoras a temperatura ambiente ello supondría en la práctica poder transportar cantidades ilimitadas de electricidad a grandes distancias sin pérdidas sensibles en el proceso, así como poder construir nuevos y más poderosos instrumentos que no se calentasen durante su funcionamiento: motores, vehículos eléctricos, ordenadores, etc

Si existieran materiales con propiedades superconductoras a temperatura ambiente ello supondría en la práctica poder transportar cantidades ilimitadas de electricidad a grandes distancias sin pérdidas sensibles en el proceso, así como poder construir nuevos y más poderosos instrumentos que no se calentasen durante su funcionamiento: motores, vehículos eléctricos, ordenadores, etc. Actualmente en las poderosas electro­ magnetos de las inmensas y sofisticadas instalaciones en las que se investiga sobre Física de partículas o en las magnetos que hacen levitar a los más súper veloces trenes del mundo ya se utilizan superconductores pero para poder realizar eficazmente su función han de mantenerse a muy bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto, 0° K, equivalente a -273° C. Para conseguirlo se utiliza como refrigerante helio líquido, muy caro y complejo de manipular, lo que imposibilita el uso de los superconductores en aplicaciones más cotidianas. 
 
Pero ¿qué es lo que distingue a un conductor de un superconductor? Cuando la corriente eléctrica fluye a través de un conductor parte de la energía transportada se transforma en calor. En algunos casos este fenómeno se aprovecha, como es el caso de los calentadores eléctricos, pero en la mayoría de las ocasiones ello implica grandes pérdidas energéticas y económicas en el transporte, así como la necesidad de instalación de elementos eliminadores del calor originado en casi todos los instrumentos eléctricos y electrónicos. El que los metales sean buenos conductores de la electricidad se debe a que algunos de sus electrones se mueven libremente y su velocidad media de deriva constituye la corriente eléctrica. Cuando se aplica a los extremos de un conductor eléctrico una diferencia de potencial o voltaje, los electrones móviles se aceleran y si se tratase de un metal perfecto hipotético esa aceleración continuaría y haría que pudiera fluir una tremenda corriente eléctrica a través del conductor. Sin embargo, en la realidad, tiene lugar una dispersión de los electrones debida a las imperfecciones que ofrece la superficie del metal, lo que da lugar a su resistividad, quedando limitado el flujo de corriente eléctrica y gastándose parte de la energía suministrada en el movimiento de los átomos del metal y en producción de calor, que debe ser eliminado, ya que su acumulación puede producir graves deterioros. Por ello se puede decir que todo conductor eléctrico se caracteriza por un flujo eléctrico limitado por la resistividad y por la pérdida de energía en forma de calor.
 
A -273° C, la más baja de las temperaturas posibles, cesa cualquier movimiento al azar de los átomos y moléculas. Heike Kammerlingh Onnes, en 1908, usando técnicas semejantes a las de Dewar para licuar oxígeno e hidrógeno, obtuvo éxito al conseguir licuar el gas helio, cuya temperatura de ebullición era tan solo de 4,2° K, es decir - 268,8° C. En 1911 Onnes comprobó que cuando varios metales se sumergían en helio líquido desaparecía su resistencia si se bajaba de una determinada temperatura, propia para cada metal: se había descubierto el fenómeno de la superconductividad.
 
En 1933 Meissner describió el efecto que lleva su nombre, consistente en que, si se enfría un material por debajo de su temperatura de transición como superconductor, en presencia de un campo magnético, el campo magnético se expulsa desde el interior del material. Ello significa, por ejemplo, que si se coloca una magneto encima de un metal ambos tienden a atraerse, pero si el metal se convierte en un superconductor entonces repele a la magneto que queda levitando encima del mismo cuando la fuerza repulsiva equivale y contrarresta a la de la gravedad. En estas condiciones, sin rozamientos sensibles, un pequeño impulso hace que la magneto se mueva lateralmente de un modo muy fácil. En este principio se basa la construcción de trenes super veloces que se deslizan mediante levitación.
 
Hubo que esperar hasta los años 80 para que los investigadores Bardeen, Cooper y Schieffer elaborasen la llamada teoría BCS para explicar científicamente el fenómeno de la superconductividad mediante el apareamiento de electrones, lo que evita su dispersión y elimina la resistencia. Es evidente que la limitación principal del inmenso campo de posibilidades de aplicación de los superconductores reside en la necesidad de enfriar a temperaturas próximas a las del cero absoluto. Por ello, desde un principio se intentó encontrar materiales que presentasen superconductividad a temperaturas más altas para que la refrigeración precisa fuese menor. El camino recorrido ha sido muy laborioso, pero últimamente los éxitos están resultando espectaculares. A principios de 1986 Johannes Georg Bednorz y Karl Alex Müller, cuando investigaban sobre sustancias no conductoras, se encontraron con ciertos óxidos de cobre que presentaban superconductividad a unos 30° K. En 1987 les fue concedido el premio Nobel de Física y ese mismo año el grupo americano dirigido por Ching Wu Chu consiguió materiales superconductores a 95° K que alcanzaron los 125° K hacia 1989 al usar combinaciones a base de cobre, oxígeno, itrio y bario en proporciones muy precisas. En 1990 en los laboratorios Sandía de Nuevo Mexico, USA, se consiguió el primer transistor fabricado exclusivamente a base de superconductores de alta temperatura (SAT) y el mismo año se dieron a conocer los primeros superconductores de compuestos orgánicos.
 
El grupo de Chu, en la Universidad de Houston, ha continuado progresando la investigación sobre SAT y una de sus consecuciones fue obtenida el pasado mes de setiembre con un compuesto a base de mercurio, con superconductividad a 153° K. Una semana después científicos franceses y rusos obtuvieron la mejor marca a 157° K y hace unos pocos días, de nuevo el Dr. Chu acaba de lograr un SAT a 164° K, es decir tan solo a unos -109° C. Ello significa que en menos de 7 años se ha quintuplicado la temperatura de transición de los superconductores y que para llegar a la temperatura ambiente bastaría ahora con duplicar los logros ya obtenidos, lo que es razonable pensar que ocurrirá en un horizonte de tiempo no muy largo lo que permitiría inmediatamente la construcción de ordenadores más potentes y eficaces, vehículos eléctricos con tecnologías más simplificadas, reducir drásticamente los costos e instalaciones para el transporte de energía eléctrica, abordar masivamente el transporte mediante trenes en levitación, etc. todo ello sin necesidad de complejos equipos de refrigeración. Además, existen las posibilidades que representan el descubrimiento de que ciertos fullerenos, una nueva clase de compuestos de forma esférica a base de átomos de carbono, también han resultado pre­ sentar superconductividad.
 
En la obtención de SAT anualmente se están invirtiendo unos 450 millones de dólares, pero esta cifra parece prudente e incluso baja dada la potencialidad de este campo que, de acuerdo con las previsiones de la empresa eléctrica japonesa Sumitomo, puede alcanzar un mercado de aplicaciones, antes del año 2000, que llegue a los 36.000 millones de dólares.
 
 
Información adicional
 
* Al igual que en la mecánica cuántica la dualidad onda-corpúsculo relaciona, en el espacio libre, a las ondas luminosa con los fotones, en un sólido se pueden asociar los conceptos de ondas sonoras con los fonones.
 
* Aunque se aceptan generalmente los postulados básicos de la teoría BCS, sin embargo, quedan aspectos oscuros como es explicar cómo la fuerza atractiva entre pares de electrones puede superar a la energía térmica asociada con las temperaturas altas por lo que se cree que aún existen mecanismos adicionales sin conocer.
 
*La idea original de que los SAT no podrían soportar corrientes eléctricas elevadas ha resultado errónea. Hace pocos años científicos de IBM demostraron la posibilidad de alcanzar densidades de corriente de 10.000 amperios por centímetro cuadrado a temperatura relativamente elevada, la del nitrógeno líquido.