Supercondutividade é uma descoberta com um destino invejável em comparação com outras descobertas científicas do século XX. Os resultados deste último rapidamente passaram da ciência teórica para a ciência aplicada e depois para a vida cotidiana. A supercondutividade exige constantemente que os cientistas alcancem e superem certos limites: temperatura, produto químico e material. E, mesmo mais de 100 anos após a descoberta desse fenômeno, ainda estamos lutando com os mesmos obstáculos que os cientistas enfrentaram no início do século passado. Também somos Toshiba e temos algo a dizer sobre nossa contribuição para o estudo e domesticar a supercondutividade.
O que é supercondutividade e como descobrimos isso?
Imagine que você precisa dirigir um carro por uma estrada de terra muito ruim. Na estação quente, especialmente depois da chuva, ela se transforma em um pântano. As rodas ficam presas na lama, escorregam, escorregam, o carro dirige de um lado para o outro. Sua velocidade cai. Mas no outono, durante as primeiras geadas, a lama endurece e você dirige pela estrada com uma brisa, como se estivesse ao longo de uma estrada. Aqui também estão os elétrons que compõem a corrente elétrica, passam pelos metais quando a temperatura muda. Quando uma substância é aquecida, suas estruturas atômicas oscilam bastante, dificultando a movimentação dos elétrons. Os átomos capturam elétrons do fluxo e os espalham. Apenas alguns passam do ponto "A" ao ponto "B". Isso cria resistência.
No entanto, se o metal é resfriado a zero absoluto (–273 ° C), as vibrações internas da substância (“ruído térmico”) nele diminuem e os elétrons passam por ele sem atrito, ou seja, a resistência cai para zero. Isso é chamado de supercondutividade. Como tudo isso funciona do ponto de vista científico é descrito em vários artigos em publicações científicas especiais e populares, por exemplo, em N + 1 (com fotos engraçadas).
O físico holandês Heike Kammerling-Onnes, em 1911, ainda não conhecia esse fenômeno, embora já estivesse ciente de que a resistência elétrica de um metal diminui com o resfriamento. Para verificar até onde alguém poderia ir em jogos com frio, metal e eletricidade, o holandês usou mercúrio. Era esse metal naqueles dias que passava por uma melhor purificação de impurezas que interferiam no movimento dos elétrons.
Com uma diminuição da temperatura para 4,15 Kelvin, ou seja, para –269 ° C, a resistência no mercúrio desapareceu completamente. É verdade que Kammerling-Onnes não acreditava nisso e, mostrando cautela inerente ao cientista, escreveu em seu diário que a resistência "praticamente desapareceu". Na verdade, estava completamente ausente, apenas os instrumentos de medição não estavam prontos para isso, como o próprio pesquisador.
Posteriormente, Kammerling-Onnes testou muitos metais quanto à supercondutividade e descobriu que o chumbo e o estanho possuem essa propriedade. Ele também encontrou a primeira liga supercondutora, que consistia em mercúrio, ouro e estanho. Por seus experimentos com temperaturas criticamente baixas, o cientista foi apelidado de "Zero Absoluto". Mas manter essa classificação alta não era fácil - os experimentos precisavam de hélio líquido, que era escasso na época, o que não permitiu que Kammerling-Onnes descobrisse a segunda propriedade fundamental dos condutores.
Efeito Meisner: o caixão do profeta poderia voar
O mito a seguir foi difundido na Europa medieval: em Meca, em um dos palácios, um caixão de ferro (de acordo com outras noções, um cobre) com o corpo do profeta Muhammad se eleva no ar, sustentado por ímãs poderosos. Peregrinos de todo o mundo islâmico chegam lá para assistir a esse espetáculo e, em êxtase religioso, olham para fora porque acreditam que nunca verão algo mais maravilhoso na vida.
O peregrino caiu de joelhos diante do caixão levitando em um fragmento do Atlas Catalão do século XIV. Fonte: Wikimedia Commons
Na realidade, o profeta não foi sepultado em Meca, mas em Medina; o caixão era de madeira, embora ricamente decorado; também não foram notados ímãs, que foram verificados no século XIX. Então ficou provado que um corpo ferromagnético no campo de ímãs permanentes não pode manter um equilíbrio estável.
No entanto, se os cronistas medievais sobreviverem ao mito da ficção por um século, eles poderão ter um poderoso trunfo à sua disposição. Em 1933, os físicos alemães Walter Meissner e Robert Oksenfeld decidiram testar como o campo magnético é distribuído ao redor do supercondutor. E, novamente, uma descoberta inesperada foi feita: um supercondutor resfriado a uma temperatura crítica expulsou um campo magnético externo constante de seu volume. Como se viu, as correntes que passam pelo supercondutor criam seu campo magnético em uma fina camada superficial da substância. No estado supercondutor, a força desse campo é igual ao campo magnético externo que atua sobre ele.
Se o caixão do profeta fosse criado a partir de ímãs e colocado em uma caverna composta por supercondutores resfriados a temperaturas críticas, talvez ele realmente subisse no ar, como descreveram os europeus medievais. De qualquer forma, em pequena escala e com participantes menos sagrados, esse experimento já foi realizado muitas vezes.
É assim que o caixão do profeta poderia levitar se todas as condições do efeito Meissner fossem levadas em consideração durante seu enterro. Fonte: Canal do Empiric School no YouTube
A descoberta do efeito Meissner também nos ajudou a entender que nem todos os supercondutores são iguais. Além dos poucos metais puros, a supercondutividade também surge nas ligas. No entanto, enquanto nas substâncias puras o efeito Meissner se manifesta completamente (supercondutores do tipo I), nas ligas ele se manifesta parcialmente, porque não são homogêneos (supercondutores do tipo II). Neles, o campo magnético não é completamente eliminado, mas preenche o espaço ao longo das supercorrentes que passam pelo condutor. Foi com a descoberta deles que começou o uso prático de supercondutores na forma de ímãs.
Tesla ficaria orgulhosa: como a Toshiba criou o ímã supercondutor mais poderoso do mundo
Em busca da redução da temperatura crítica na década de 1960, a humanidade descobriu muitos supercondutores de segunda classe que já podiam ser usados para fins industriais e em larga escala. A primeira tarefa lógica nesse caminho foi a criação de ímãs supercondutores, que deveriam substituir os eletroímãs inventados no século 19, com base no uso de metais comuns.
Um ímã supercondutor tornou possível criar campos muito mais estáveis e poderosos com um uso mais eficiente da eletricidade. Em 1962, os primeiros fios supercondutores de nióbio e titânio foram desenvolvidos e, no mesmo ano, o primeiro grande ímã supercondutor foi criado. Foi projetado pela General Electric. O poder dos campos gerados por ele chegou a 10 tesla. Para comparação: a maioria dos tomógrafos de ressonância magnética hospitalares hoje gera um campo com indução de 1 a 10 T.
É verdade que, apesar do óbvio sucesso científico e tecnológico, o primeiro eletroímã supercondutor acabou sendo totalmente inútil. Em vez dos US $ 75 mil estipulados pelo contrato com a Bell Laboratories, a criação da General Electric custou US $ 200 mil, mas a corrida pela indutância de campo na década de 1970. Muitas empresas inovadoras aderiram, incluindo a Toshiba.
A principal tarefa então foi entender o quão forte um campo um ímã supercondutor pode criar, porque quanto maior esse valor, mais rápida a supercondutividade é perdida. Foi então que a Toshiba, juntamente com a Universidade Tohoku, criou o ímã supercondutor mais poderoso do mundo naquela época. Ele gerou um campo com uma indução de 12 T. Na Universidade de Tohoku, era usado na ciência de materiais.
No entanto, os eletroímãs comuns ainda foram capazes de superar seus “descendentes” na geração de campos eletromagnéticos. No final da década de 1970, a geração antiga desses dispositivos poderia criar um campo com indução de até 23,4 T, enquanto os ímãs supercondutores - apenas 17,5 T.
Em 1983, os engenheiros da Toshiba, com base em seu desenvolvimento anterior, criaram um eletroímã híbrido: um eletroímã resistivo convencional foi colocado dentro de um ímã supercondutor, e atravessar seus campos deu uma indução de 31 T em 1986.
Quando ficou claro que podemos alcançar uma potência muito alta de campos eletromagnéticos, surgiu a questão, mas como usar o que já temos? Nos anos 80, a Toshiba, como muitas outras empresas, decidiu comercializar a tecnologia em um "campo de treinamento médico".
Raios de bom: como os supercondutores da Toshiba ajudam a tratar o câncer
Na década de 1980, ficou claro que a ressonância magnética usando campos eletromagnéticos de supercondutores pode fornecer um diagnóstico muito mais claro do que a tecnologia de tomografia computadorizada recentemente desenvolvida e os raios-x mais antigos. Isso também foi reconhecido pela Toshiba. Desde então, a empresa tornou-se fornecedora de ímãs supercondutores para fabricantes de equipamentos médicos e permanece até hoje.
Um dos primeiros ímãs supercondutores da Toshiba projetados para ressonância magnética. Fonte: Toshiba
No entanto, os dispositivos médicos modernos estão se tornando híbridos: eles não apenas diagnosticam, mas também tratam, como, por exemplo, dispositivos de terapia usando partículas pesadas.
Sua essência é que eles geram raios com o movimento acelerado de partículas pesadas que são enviadas para tumores no corpo humano. Para direcionar com precisão os feixes dessas partículas, é necessário um poderoso campo magnético. Anteriormente, essas máquinas já eram usadas, mas não podiam controlar o caminho das partículas geradas, por causa das quais os pacientes precisavam mudar constantemente de posição para expor as áreas afetadas do corpo à radiação, o que não é fácil para pacientes com câncer.
Naquela época, os engenheiros da Toshiba introduziram ímãs supercondutores no pórtico - a parte móvel do anel do emissor que parecia um portal - capaz de alterar rapidamente a força dos campos magnéticos. Isso tornou possível direcionar com mais precisão os raios, e o movimento do pórtico permitiu que os pacientes permanecessem calmos durante a terapia.
O aparelho para o tratamento de partículas pesadas. O pórtico rotativo possui um eletroímã supercondutor da Toshiba. Fonte: ToshibaO que há no futuro: as 3 principais aplicações promissoras de supercondutores
Além da medicina, hoje os supercondutores são usados em ciência, energia e transporte. Quais são as perspectivas deles em um futuro próximo?
Fios em supercondutores de alta temperatura
Desde os primeiros anos da descoberta da supercondutividade, a humanidade vem pensando em como transmitir corrente usando supercondutores. As linhas aéreas convencionais de alta tensão ocupam muito espaço e também perdem de 6 a 10% da energia transmitida.
A princípio, de fato, metais supercondutores, cujas propriedades químicas não permitiam fabricar fios a partir deles, não se encaixavam. Então, com a descoberta dos supercondutores do tipo II, surgiu a questão sobre o resfriamento, que exigia hélio caro. Somente em 1986, foi descoberta supercondutividade em alta temperatura, ou seja, supercondutores com temperatura crítica acima de 30 kelvins. Isso tornou possível o uso de nitrogênio mais barato para o resfriamento, mas agora surgiu a questão de como manter um estado altamente condutivo, ou seja, uma temperatura baixa (alta) em segmentos muito grandes.
Agora, na Rússia, China, Japão, Coréia do Sul, Europa e EUA, existem projetos para criar cabos supercondutores de um a dez quilômetros de comprimento. Os engenheiros russos obtiveram sucesso - no ano passado, foram concluídos os testes da maior linha de cabos DC supercondutores. Um protótipo baseado no supercondutor Bi2Sr2Ca2Cu3O10 + x com 2,5 km de comprimento e temperatura crítica de –165 ° C está planejado para ser encomendado em 2020 e conectará duas subestações em São Petersburgo.
Transporte de alta velocidade
A capacidade dos supercondutores de criar um campo magnético poderoso e estável encontrou aplicação no transporte. No início dos anos 1970, foi criado o primeiro trem protótipo em uma almofada magnética (Transrapid alemão 02) e, em 1984, o primeiro trouxa comercial (da frase “levitação magnética”) começou a circular entre o terminal do aeroporto de Birmingham e a estação ferroviária da cidade (funcionou até 1995 )
A essência da tecnologia é simples: a composição é mantida acima da estrada pela força de um campo eletromagnético. Ela empurra o trem para frente - a inclusão de ímãs dos mesmos pólos repele o trem da estrada e atrai diferentes. A rápida inclusão alternada de tais ímãs cria uma lacuna constante entre a banda com eletroímãs supercondutores e o trem. Devido à falta de atrito, o trouxa pode acelerar para 500-600 km / h.
No entanto, apesar da relativa simplicidade da tecnologia, ela não foi amplamente utilizada. O fato é que é muito caro. Por exemplo, o Shanghai Muggle Aeroexpress (em operação comercial desde 2004) gera uma perda anual de US $ 93 milhões.
Portanto, a aplicação de campos eletromagnéticos de supercondutores pode ser mais promissora em projetos espaciais caros. O mesmo princípio de levitação magnética deve ser usado para lançar navios de carga no espaço. Por exemplo, os desenvolvedores do projeto Startram (custo estimado de US $ 20 bilhões) dizem que reduzirão o custo de enviar um quilograma de carga espacial para US $ 40, construindo um túnel de aceleração voltado para a órbita terrestre baixa (contra os atuais US $ 2.500 da SpaceX no Falcon-9 )
Túnel de aceleração no projeto Startram. Fonte: site do projeto Startram
Reatores de fusão
Outra área promissora de aplicação de ímãs supercondutores são os reatores termonucleares. Eles são necessários para criar a chamada armadilha magnética, para reter o plasma produzido pelo reator. As partículas carregadas giram em torno das linhas do campo magnético. De fato, um plasma magnetizado se torna um diamagnet, que tende a deixar o campo magnético. Consequentemente, se você cercar o plasma com ímãs supercondutores que geram campos poderosos, o plasma será mantido em um determinado volume e não poderá destruir as paredes do reator.
É essa tecnologia que é usada para construir o reator de fusão ITER na França. A Rússia também participa desse projeto, e foi ela quem foi responsável pelo fornecimento de cabos supercondutores à França para criar o campo eletromagnético que "domestica" o plasma. Como esperado, os ímãs serão testados durante o primeiro lançamento do reator em 2025.
Quando fica mais quente?
Apesar de mais de um século de história de supercondutividade, o principal sonho de todos os físicos e engenheiros - a temperatura ambiente da supercondutividade, que permitirá o uso de supercondutores o mais amplamente possível na vida cotidiana - ainda não foi alcançado. O último recorde nesta área foi estabelecido recentemente, em maio de 2019: um grupo internacional de cientistas experimentou um composto exótico - hidreto de lantânio (LaH10). A obtenção deste material é muito difícil. Para isso, são necessárias alta temperatura e alta pressão, o que torna as amostras de hidreto de lantânio produzidas microscopicamente pequenas. No entanto, os cientistas foram capazes de verificar como esse material interage com um campo magnético. A uma temperatura de –23 ° C, ele expulsou um campo magnético, o que provou sua supercondutividade. Até agora, este é o supercondutor mais quente que conhecemos. No entanto, a busca por supercondutores mais quentes não para; continua. E assim que novos sucessos forem alcançados nessa área, informaremos imediatamente.