La superconductividad es un descubrimiento con un destino poco envidiable en comparación con otros avances científicos del siglo XX. Los resultados de este último rápidamente encontraron su camino de la ciencia teórica a la aplicada, y luego a la vida cotidiana. La superconductividad requiere constantemente que los científicos alcancen y superen ciertos límites: temperatura, químicos, materiales. E incluso más de 100 años después del descubrimiento de este fenómeno, todavía estamos luchando con los mismos obstáculos que enfrentaron los científicos a principios del siglo pasado. También somos Toshiba, y tenemos algo que contar sobre nuestra contribución al estudio y la domesticación de la superconductividad.
¿Qué es la superconductividad y cómo nos enteramos?
Imagine que necesita conducir un automóvil por un camino de tierra muy malo. En la estación cálida, especialmente después de la lluvia, se convierte en un pantano. Las ruedas se atascan en el barro, se deslizan, resbalan, el automóvil se mueve de lado a lado. Tu velocidad baja. Pero en otoño, con la primera helada, el lodo se endurece, y usted conduce por la carretera con brisa, como si fuera una carretera. Aquí también están los electrones que forman la corriente eléctrica, pasan a través de los metales cuando cambia la temperatura. Cuando una sustancia se calienta, sus estructuras atómicas oscilan mucho, lo que dificulta el movimiento de los electrones. Los átomos arrebatan electrones de la corriente y los dispersan. Solo unos pocos pasan del punto "A" al punto "B". Esto crea resistencia.
Sin embargo, si el metal se enfría a cero absoluto (–273 ° ), las vibraciones internas de la sustancia ("ruido térmico") en él disminuyen y los electrones lo atraviesan sin fricción, es decir, la resistencia cae a cero. Esto es lo que se llama superconductividad. La forma en que todo esto funciona desde un punto de vista científico se describe en numerosos artículos en publicaciones científicas especiales y populares, por ejemplo, en N + 1 (con imágenes divertidas).
La física holandesa Heike Kammerling-Onnes en 1911 aún no conocía este fenómeno, aunque ya sabía que la resistencia eléctrica de un metal disminuye con el enfriamiento. Para comprobar hasta dónde se podía llegar en juegos con frío, metal y electricidad, el holandés usó mercurio. Fue este metal en esos días el que experimentó una mejor purificación de las impurezas que interfieren con el movimiento de los electrones.
Con una disminución de la temperatura a 4.15 Kelvin, es decir, a –269 ° C, la resistencia en mercurio desapareció por completo. Es cierto que Kammerling-Onnes no creía esto y, mostrando la cautela inherente al científico, escribió en su diario que la resistencia "prácticamente había desaparecido". De hecho, estaba completamente ausente, solo los instrumentos de medición no estaban listos para esto, como el propio investigador.
Posteriormente, Kammerling-Onnes probó la superconductividad de muchos metales y descubrió que el plomo y el estaño poseen esta propiedad. También encontró la primera aleación superconductora, que consistía en mercurio, oro y estaño. Por sus experimentos con temperaturas críticamente bajas, el científico fue apodado "Absolute Zero". Pero mantener este alto rango no fue fácil: los experimentos necesitaban helio líquido, que era escaso en ese momento, lo que no permitió a Kammerling-Onnes descubrir la segunda propiedad fundamental de los conductores.
Efecto Meisner: ¿podría volar el ataúd del profeta?
El siguiente mito se generalizó en la Europa medieval: en La Meca, en uno de los palacios, un ataúd de hierro (según otras nociones, un cobre) con el cuerpo del profeta Mahoma se eleva en el aire, no apoyado por nada más que imanes poderosos. Los peregrinos de todo el mundo islámico vienen a ver este espectáculo y, en éxtasis religioso, observan porque creen que nunca verán nada más maravilloso en la vida.
El peregrino cayó de rodillas frente al ataúd levitando sobre un fragmento del Atlas catalán del siglo XIV. Fuente: Wikimedia Commons
En realidad, el profeta fue enterrado no en La Meca, sino en Medina; el ataúd estaba hecho de madera, aunque ricamente decorado; tampoco se notaron imanes, lo que se comprobó en el siglo XIX. Luego se demostró que un cuerpo ferromagnético en el campo de los imanes permanentes no puede mantener un equilibrio estable.
Sin embargo, si los cronistas medievales sobrevivieron al mito ficticio durante un siglo, entonces podrían tener una poderosa carta de triunfo a su disposición. En 1933, los físicos alemanes Walter Meissner y Robert Oksenfeld decidieron probar cómo se distribuye el campo magnético alrededor del superconductor. Y nuevamente, se hizo un descubrimiento inesperado: un superconductor enfriado a una temperatura crítica expulsó un campo magnético constante externo de su volumen. Al final resultó que, las corrientes que pasan a través del superconductor crean su campo magnético en una capa superficial delgada de la sustancia. En el estado superconductor, la intensidad de este campo es igual al campo magnético externo que actúa sobre él.
Si el ataúd del profeta fue creado a partir de imanes y colocado en una cueva que consiste en superconductores enfriados a temperaturas críticas, entonces tal vez realmente se elevaría en el aire, como lo describieron los europeos medievales. En cualquier caso, a pequeña escala y con participantes menos sagrados, este experimento ya se ha llevado a cabo muchas veces.
Así es como el ataúd del profeta podría levitar si se tuvieran en cuenta todas las condiciones del efecto Meissner durante su entierro. Fuente: Canal de YouTube de Empiric School
El descubrimiento del efecto Meissner también nos ayudó a comprender que no todos los superconductores son iguales. Además de los pocos metales puros, la superconductividad también surge en las aleaciones. Sin embargo, mientras que en las sustancias puras el efecto Meissner se manifiesta por completo (superconductores tipo I), en las aleaciones se manifiesta parcialmente porque no son homogéneas (superconductores tipo II). En ellos, el campo magnético no se expulsa por completo, sino que llena el espacio a lo largo de las supercorrientes que pasan a través del conductor. Fue con su descubrimiento que comenzó el uso práctico de superconductores en forma de imanes.
Tesla estaría orgulloso: cómo Toshiba creó el imán superconductor más poderoso del mundo
En la búsqueda de reducir la temperatura crítica en la década de 1960, la humanidad ha descubierto muchos superconductores de segunda clase que ya podrían usarse para fines industriales y a gran escala. La primera tarea lógica en este camino fue la creación de imanes superconductores, que supuestamente reemplazarían los electroimanes inventados en el siglo XIX, basados en el uso de metales comunes.
Un imán superconductor permitió crear campos mucho más estables y potentes con un uso más eficiente de la electricidad. En 1962, se desarrollaron los primeros cables superconductores de niobio y titanio, y en el mismo año se creó el primer gran imán superconductor. Fue diseñado por General Electric. El poder de los campos generados por él alcanzó 10 tesla. A modo de comparación: la mayoría de los tomógrafos de resonancia magnética hospitalaria generan un campo con inducción de 1 a 10 T.
Es cierto que a pesar del obvio éxito científico y tecnológico, el primer electroimán superconductor resultó ser completamente inútil. En lugar de los $ 75 mil estipulados por el contrato con Bell Laboratories, la creación de General Electric costó $ 200 mil. Sin embargo, la carrera por la inductancia de campo en la década de 1970. Se han unido muchas empresas innovadoras, incluida Toshiba.
La tarea principal era comprender qué tan fuerte puede crear un campo un imán superconductor, porque cuanto mayor es este valor, más rápido se pierde la superconductividad. Fue entonces cuando Toshiba, junto con la Universidad de Tohoku, creó el imán superconductor más poderoso del mundo en ese momento. Él generó un campo con una inducción de 12 T. En la Universidad de Tohoku, se utilizó en la ciencia de los materiales.
Sin embargo, los electroimanes comunes aún podían superar a sus "descendientes" en la generación de campos electromagnéticos. A fines de la década de 1970, la vieja generación de estos dispositivos podía crear un campo con inducción de hasta 23.4 T, mientras que los imanes superconductores, solo 17.5 T.
En 1983, los ingenieros de Toshiba basados en su desarrollo anterior crearon un electroimán híbrido: se colocó un electroimán resistivo convencional dentro de un imán superconductor, y al cruzar sus campos se produjo una inducción de 31 T en 1986.
Cuando quedó claro que podemos lograr una potencia muy alta de campos electromagnéticos, surgió la pregunta, pero ¿cómo usar lo que ya tenemos? En la década de 1980, Toshiba, como muchas otras compañías, decidió comercializar la tecnología en un "campo de entrenamiento médico".
Rayos de bien: cómo los superconductores de Toshiba ayudan a tratar el cáncer
En la década de 1980, quedó claro que las imágenes de resonancia magnética que utilizan campos electromagnéticos de superconductores pueden proporcionar un diagnóstico mucho más claro que la tecnología de tomografía computarizada desarrollada recientemente y las radiografías antiguas. Esto también fue reconocido por Toshiba. Desde entonces, la compañía se ha convertido en un proveedor de imanes superconductores para los fabricantes de equipos médicos y continúa hasta nuestros días.
Uno de los primeros imanes superconductores de Toshiba diseñados para resonancia magnética. Fuente: Toshiba
Sin embargo, los dispositivos médicos modernos se están volviendo híbridos: no solo diagnostican, sino que también tratan, como, por ejemplo, dispositivos de terapia que usan partículas pesadas.
Su esencia es que generan rayos con el movimiento acelerado de partículas pesadas que se envían a los tumores en el cuerpo humano. Para dirigir con precisión los haces de tales partículas, se necesita un potente campo magnético. Anteriormente, tales máquinas ya se usaban, pero no podían controlar el camino de las partículas generadas, debido a que los pacientes constantemente tenían que cambiar su posición para exponer las áreas afectadas del cuerpo a la radiación, lo que no es fácil para los pacientes con cáncer.
En ese momento, los ingenieros de Toshiba introdujeron imanes superconductores en el pórtico, la parte del anillo móvil del emisor que parecía un portal, que podían cambiar rápidamente la intensidad de los campos magnéticos. Esto permitió dirigir los rayos con mayor precisión, y el movimiento del pórtico permitió a los pacientes mantener la calma durante la terapia.
El aparato para el tratamiento de partículas pesadas. El pórtico giratorio tiene un electroimán superconductor Toshiba. Fuente: ToshibaQué hay en el futuro: las 3 mejores aplicaciones prometedoras de superconductores
Además de la medicina, los superconductores de hoy se usan en ciencia, energía y transporte. ¿Cuáles son sus perspectivas en el futuro cercano?
Cables en superconductores de alta temperatura
Desde los primeros años del descubrimiento de la superconductividad, la humanidad ha estado pensando en cómo transmitir corriente utilizando superconductores. Las líneas aéreas convencionales de alto voltaje ocupan mucho espacio y también pierden del 6 al 10% de la energía transmitida.
Al principio, de hecho, los metales superconductores, cuyas propiedades químicas no permitían hacer cables a partir de ellos, no encajaban. Luego, con el descubrimiento de los superconductores tipo II, surgió la pregunta sobre su enfriamiento, que requería un helio costoso. Solo en 1986 se descubrió la superconductividad a alta temperatura, es decir, se encontraron superconductores con una temperatura crítica superior a 30 kelvins. Esto hizo posible usar nitrógeno más barato para enfriar, pero ahora surgió la pregunta de cómo mantener un estado altamente conductivo, es decir, una temperatura baja (alta) en segmentos muy grandes.
Ahora en Rusia, China, Japón, Corea del Sur, Europa y Estados Unidos, hay proyectos para crear cables superconductores de uno a diez kilómetros de largo. Los ingenieros rusos lograron el éxito: el año pasado se completaron las pruebas de la línea de cable de CC superconductora más larga. Se planea poner en marcha un prototipo basado en el superconductor Bi2Sr2Ca2Cu3O10 + x con una longitud de 2.5 km y una temperatura crítica de –165 ° C en 2020. Conectará dos subestaciones en San Petersburgo.
Transporte de alta velocidad
La capacidad de los superconductores para crear un campo magnético potente y estable ha encontrado aplicación en el transporte. A principios de la década de 1970, se creó el primer prototipo de tren sobre un cojín magnético (Transrapid 02 alemán), y en 1984 el primer muggle comercial (de la frase "levitación magnética") comenzó a correr entre la terminal del aeropuerto de Birmingham y la estación de ferrocarril de la ciudad (funcionó hasta 1995 )
La esencia de la tecnología es simple: la composición se mantiene por encima de la carretera por la fuerza de un campo electromagnético. Empuja el tren hacia adelante: la inclusión de imanes de los mismos polos repele el tren de la carretera y atrae a otros diferentes. La inclusión alterna rápida de tales imanes crea una brecha constante entre la red con electroimanes superconductores y el tren. Debido a la falta de fricción, el muggle puede acelerar a 500-600 km / h.
Sin embargo, a pesar de la relativa simplicidad de la tecnología, no fue ampliamente utilizada. El hecho es que es demasiado caro. Por ejemplo, Shanghai Muggle Aeroexpress (en operación comercial desde 2004) trae una pérdida anual de $ 93 millones.
Por lo tanto, la aplicación de campos electromagnéticos de superconductores puede ser más prometedora en proyectos espaciales caros. Se supone que el mismo principio de levitación magnética se utilizará para lanzar buques de carga al espacio. Por ejemplo, los desarrolladores del proyecto Startram (costo estimado de $ 20 mil millones), dicen que reducirán el costo de enviar un kilogramo de carga espacial a $ 40 al construir un túnel de aceleración dirigido a la órbita terrestre baja (contra los actuales $ 2,500 de SpaceX en Falcon-9 )
Túnel de aceleración en el proyecto Startram. Fuente: sitio del proyecto Startram
Reactores de fusión
Otra área prometedora de aplicación de imanes superconductores son los reactores termonucleares. Son necesarios para crear la llamada trampa magnética, para retener el plasma producido por el reactor. Las partículas cargadas giran alrededor de las líneas del campo magnético. De hecho, un plasma magnetizado se convierte en un diamagnet, que tiende a abandonar el campo magnético. En consecuencia, si rodea el plasma con imanes superconductores que generan campos potentes, el plasma se mantendrá en un volumen dado y no podrá destruir las paredes del reactor.
Es esta tecnología la que se utiliza para construir el reactor de fusión ITER en Francia. Rusia también participa en este proyecto, y fue ella la responsable del suministro de cables superconductores a Francia para crear el mismo campo electromagnético que "domestica" el plasma. Como se esperaba, los imanes se probarán durante el primer lanzamiento del reactor en 2025.
¿Cuándo se calentará?
A pesar de más de un siglo de historia de la superconductividad, el sueño principal de todos los físicos e ingenieros: la temperatura ambiente de la superconductividad, que permitirá el uso de superconductores lo más ampliamente posible en la vida cotidiana, aún no se ha logrado. El último récord en esta área se estableció recientemente, en mayo de 2019: un grupo internacional de científicos experimentó con un compuesto exótico: el hidruro de lantano (LaH10). Obtener este material es muy difícil. Para esto, se necesitan altas temperaturas y altas presiones, lo que hace que las muestras de hidruro de lantano producidas sean microscópicamente pequeñas. Sin embargo, los científicos pudieron verificar cómo este material interactúa con un campo magnético. A una temperatura de –23 ° , expulsó un campo magnético, lo que demostró su superconductividad. Hasta ahora, este es el superconductor más cálido que conocemos. Sin embargo, la búsqueda de superconductores más cálidos no se detiene; continúa. Y tan pronto como se logren nuevos éxitos en esta área, le informaremos de inmediato.