Superconductores

Bienvenidos al segundo post de Ciencia Bizarra, el blog que intentará traer el conocimiento científico a vuestros hogares, porque la ciencia es maravillosa, la capacidad de entender el por qué de las cosas, los avances científicos y tecnológicos de los que el ser humano es capaz, es algo que me fascina. Y no por ser ciencia tiene que ser difícil de entender, así que vamos con la dosis de conocimientos de hoy. Mi primer post está dedicado a un tipo de materiales que desde mi punto de vista son realmente fascinantes, se trata de los superconductores.

Pero empecemos por el principio: ¿Qué es un material conductor?. Llamamos material conductor a aquél que ofrece poca resistencia al paso de la corriente eléctrica, generalmente, los mejores conductores son elementos metálicos, donde los más empleados para uso común son el cobre y el aluminio. Esta resistencia del material provoca que parte de la energía eléctrica transmitida se pierda, transformándose en energía térmica. Entonces, ¿qué es un superconductor?. Es un material que no opone ninguna resistencia al paso de la corriente eléctrica, lo que supone que no habrá pérdida de energía en la transmisión de corriente.

Pero, ¿qué es lo que hace que un material se convierta en superconductor? El primer caso de superconductividad fue observado en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, cuando al enfriar mercurio a la temperatura del helio líquido, 4 Kelvin (recordemos que 0 Kelvin es el equivalente a -273.15ºC, por lo tanto, 4K = -269ºC) descubrió que su resistencia desaparecía bruscamente cuando lo que esperaba era que se redujera gradualmente. Por tanto, para ciertos materiales existe una temperatura llamada temperatura crítica, por debajo de la cual las propiedades magnéticas del material cambian radicalmente. Un símil ilustrativo sería el cambio de estado del agua a hielo al descender de  0ºC, en este caso se produce una reestructuración atómica que modifica las propiedades físicas del agua al pasar al estado sólido, pues esto mismo ocurre con los superconductores, pero en lugar de que se produzca este cambio de manera física al descender de cierta temperatura, se produce de forma magnética. Hay que aclarar que no todos los materiales pueden ser superconductores, por ejemplo, el cobre, por mucho que se enfríe, nunca llega a mostrar una resistencia nula. 

Pero aparte de esta propiedad de ausencia de resistencia, existe otra propiedad asombrosa sobre los superconductores. Primero hay que definir que un campo magnético es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas. Este campo magnético es el que da a los imanes la capacidad de atraer a ciertos metales hacia sí, o el que orienta la aguja de una brújula hacia el polo norte, ya que la tierra posee su propio campo magnético.

Pues bien, al descender por debajo de la temperatura crítica de un material, el flujo de campo magnético de dicho material desaparece totalmente, siendo las líneas de campo magnético expulsadas del interior del material, es decir, que un superconductor rechaza el campo magnético y esto implica que un imán sea repelido por el material superconductor, este fenómeno es llamado Efecto Meissner en honor a su descubridor. Debido a este fenómeno, se dan efectos curiosos como la levitación un imán, como se puede ver en el siguiente vídeo. El material negro es el superconductor, que al sumergirlo en un baño de nitrógeno líquido alcanzará una temperatura inferior a su temperatura crítica, por lo que el imán levitará debido que su campo magnético es repelido por el superconductor. Al sacar el material del baño de nitrógeno, se calentará a temperatura ambiente, perdiendo sus propiedades de superconductor y cesando así la levitación del imán.

El mayor problema que acarrean estos materiales es el costo energético que supone alcanzar temperaturas tan bajas. Para superconductores cuya temperatura crítica esté por debajo de 20K ha de emplearse helio líquido. Sin embargo, en los años 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura, que muestran la transición de fase a temperaturas superiores a la del nitrógeno líquido (77K), refrigerante mucho más barato y accesible que el helio líquido ya que se puede obtener de la licuación del aire. Pero la verdadera sorpresa para los investigadores fue el descubrimiento de la llamada segunda generación de superconductores de alta temperatura, con una temperatura crítica entre 100-150 Kelvin, y digo sorpresa porque ¡se trata de aleaciones de materiales cerámicos! y recordemos que por lo general los materiales cerámicos son aislantes, es decir, muy malos conductores de electricidad. La mayor temperatura crítica observada hasta hace poco la ostentaba una aleación de mercurio, talio, bario, calcio, cobre y oxígeno, con una temperatura de 134K (-139ºC).

El descubrimiento de estos materiales ha abaratado mucho los costos en el estudio de estos materiales y abierto la puerta a la existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que supondría una revolución en la industria del siglo XXI. En los últimos dos años se ha avanzado mucho en este campo, ya que se han conseguido sintetizar compuestos con temperaturas críticas entre los 18-35 ºC, aunque las propiedades de superconductor no se mantienen durante mucho tiempo, pero aún así parece que la búsqueda del tan deseado superconductor a temperatura ambiente está cada vez más cerca.

La gama de aplicaciones en la que se mueve el campo de los semiconductores es bastante amplia, entre ellas ordenadores más rápidos y con mayor capacidad de memoria, aceleradores de partículas, resonancias magnéticas, trenes de levitación magnética de alta velocidad y quizás lo más importante, una generación y transmisión más eficiente de la energía eléctrica. La transmisión de la energía eléctrica una vez generada no es viable en largas distancias, ya que al transmitirla por un cable conductor, normalmente cobre, parte de la energía eléctrica se irá transformando en energía calorífica por la resistencia que el conductor opone al paso de la corriente, esto es llamado Efecto Joule. Por lo tanto no es eficiente transportar energía a largas distancias. Aquí es donde entran los superconductores, si dispusiéramos de un material que no opusiera esta resistencia al paso de la corriente eléctrica, no habría necesidad de invertir en protección contra el calentamiento de los cables, y dispondríamos del 100% de la energía generada, lo que supondría una energía más barata y limpia, incluso podría ser almacenada introduciéndola en un hilo superconductor formando un bucle, ya que al no haber resistencia, teóricamente la energía se conservaría eternamente.

Para concluir, me gustaría hablar sobre los llamados maglev trains (magnetic levitation trains), trenes que se desplazan levitando entre 1-10 cm de las vías gracias a los superconductores, y ya que utilizan campos magnéticos para su desplazamiento, este tipo de trenes no tienen ningún tipo de motor que los impulse, así que no producen ningún tipo de contaminación. Además son capaces de alcanzar los 500 km/h debido a la ausencia de rozamiento del tren con las vías, ¡esto supondría viajar desde Madrid a Barcelona en poco más de una hora! 

Os dejo un par de vídeos para que disfrutéis de esta maravilla de la naturaleza, en el primero vemos el principio por el cual se impulsan este tipo de trenes, y en el segundo uno de estos trenes totalmente funcional que llegó a alcanzar los 581 km/h, y donde también se explica su modo de funcionamiento.

Espero que hayáis disfrutado aprendiendo sobre superconductores y que también disfrutéis y aprendáis mucho con el blog. Me despido cordialmente hasta la próxima entrada en Fun with Science, digo... Ciencia Bizarra.