Las noticias no pasan mucho tiempo sin algún tipo de anuncio sobre superconductores en estos días. Desafortunadamente, estos se dividen en varias categorías: materiales que requieren temperaturas más cálidas que los materiales anteriores pero que aún requieren enfriamiento criogénico, materiales que requieren presiones muy altas o materiales que, si se examinan más de cerca, no son realmente superconductores. Pero está claro que el santo grial es un material superconductor que funciona a temperaturas razonables a temperatura ambiente. La mayoría de la gente lo llama superconductor de temperatura ambiente, pero la realidad es que lo que realmente se necesita es un “superconductor de temperatura y presión ordinario”, pero eso es un bocado.

En el búnker de La-Tecnologia, analizamos qué haremos cuando llegue el día en que alguien lo consiga. No es que tengamos un montón de proyectos sin terminar que necesitemos superconductores para completar. Además de facilitar la flotación de los imanes, ¿qué vamos a hacer con un superconductor a temperatura ambiente?

conceptos básicos

Dibujamos esquemas como si los cables no tuvieran resistencia. Pero en la vida real eso no es cierto. Los electrones que fluyen a través de un cable provocarán algunas pérdidas. Sin embargo, en 1911, un físico holandés, Heike Kamerlingh Onnes, fue pionero en la investigación de bajas temperaturas. En ese momento, la sabiduría popular observó que, si bien reducir la temperatura de un metal reducía la resistencia, era probable que en el cero absoluto, los electrones estuvieran inmóviles y, por lo tanto, no fluyera corriente eléctrica a esa temperatura. Onnes, observó todo lo contrario. Comenzando con el mercurio, observó que a 4.2 K, muy cerca del cero absoluto, la resistividad del material descendía abruptamente a cero.

Por supuesto, conseguir materiales cerca de 4.2 K es un gran problema. Por ejemplo, el nitrógeno líquido, que generalmente se usa en los laboratorios cuando se quiere algo frío, hierve a 77 K. Incluso entonces, enfriar cosas con nitrógeno líquido no es muy práctico para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, hay algunos materiales cerámicos que exhiben superconductividad por encima de 90 K, por lo que hoy en día es posible utilizar superconductores si se está dispuesto a enfriarlos con algo como nitrógeno líquido.

Los superconductores no presentan pérdidas eléctricas, por lo que una corriente puede viajar para siempre en un bucle de material superconductor. Los experimentos han observado corrientes que viajan en bucle durante casi tres décadas sin pérdidas mensurables, y las teorías predicen que las corrientes se mantendrían al menos 100,000 años, si no más, que la vida del universo.

La física detrás de todo esto es complicada. En los conductores normales, los electrones fluyen a través de una red iónica. Algunos electrones chocan con los iones, convirtiendo parte de su energía en calor. En un superconductor, los electrones se unen en pares débiles conocidos como pares de Cooper. Los pares forman un tipo de superfluido que puede fluir sin disipación de energía. Puedes ver una explicación más detallada en el vídeo a continuación.

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Una conclusión importante sobre la superconductividad es que desaparece por encima de determinados niveles de corriente y campo magnético. Entonces, además de caracterizar los superconductores por su temperatura y presión críticas, también es importante conocer la densidad de corriente crítica y las intensidades críticas del campo magnético.

Casos obvios

Hay varios lugares donde hoy en día se utilizan superconductores: los SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica) son magnetómetros muy sensibles que utilizan uniones Josephson, superconductores con un fino componente aislante. Son comunes en laboratorios, máquinas de resonancia magnética y computadoras cuánticas. También es posible utilizarlos para localizar submarinos. No necesitan pasar grandes corrientes y no están sujetos a campos fuertes. Presumiblemente, si tuviera superconductores a temperatura ambiente, podría formar uniones Josephson con ellos, y todos estos dispositivos serían menos costosos y más fáciles de operar.

Otro lugar donde ya vemos superconductores es en electroimanes para cosas como resonancias magnéticas, aceleradores de partículas, trenes levitantes y reactores de fusión. Estas son las aplicaciones que requieren alta corriente o están sujetas a fuertes campos magnéticos. Hoy en día, todas estas aplicaciones requieren nitrógeno líquido o helio líquido. Si los futuros superconductores a temperatura ambiente acaban teniendo también altas densidades de corriente críticas, se podrían construir electroimanes muy potentes de forma económica.

Ciertamente, los lugares donde hoy utilizamos superconductores fríos mejorarían. Pero también hay varias aplicaciones nuevas que se podrían realizar hoy en día, pero la sobrecarga de refrigeración es demasiado prohibitiva. Por supuesto, algo dependerá de las características del material mágico desconocido. Por ejemplo, a menudo se oye decir que las líneas de transmisión eléctrica podrían ser superconductoras. Eso es cierto, pero sólo si tienen parámetros de campo magnético críticos altos, porque de lo contrario no funcionan realmente con corriente alterna. Por otro lado, utilizamos CA en parte como protección contra pérdidas, por lo que si estuviera dispuesto a cambiar todo el sistema, posiblemente podría usar cables superconductores para transmitir voltajes de CC más bajos a largas distancias, pero entonces dependerá de un alto valor crítico. densidad actual.

Electrónica de consumo

No estamos del todo seguros de qué harán los superconductores por la electrónica de consumo. Mejores imanes pueden significar mejores motores, por lo que tal vez su taladro eléctrico sea más liviano y potente. Una menor resistencia en los componentes podría significar una menor pérdida de calor y una mayor duración de la batería. A menudo se escucha que los superconductores conducirán a teléfonos que durarán semanas con una carga. Tal vez, pero nuestra suposición no es inmediata. Dudamos que la pérdida de interconexión sea realmente lo que esté agotando la batería de su teléfono. Sin embargo, es cierto que los componentes que tienen menos ineficiencias podrían dar lugar a una mayor duración de la batería. También podría permitir una carga más rápida. Después de todo, la carga de GaN es más eficiente porque produce menos calor que los dispositivos electrónicos convencionales. Un cargador superconductor sería aún más rápido.

En general, se podría esperar que la electrónica superconductora caliente fuera capaz de manejar más corriente en espacios más pequeños. Se cree que también pueden ser más rápidos. Las uniones de Eary Josephson (ciertamente, en helio líquido) eran mucho más rápidas que los transistores convencionales que se usaban en ese momento. Por supuesto, los transistores son mejores hoy en día, pero presumiblemente el uso generalizado de uniones superconductoras también traería mejoras.

¿Qué harás?

Sin embargo, la verdad es que, dado que no conocemos las propiedades del superconductor a temperatura ambiente, no sabemos qué puede aportar o no. Tal vez no tengas un teléfono celular superconductor porque se reiniciaría cada vez que encontraras un campo magnético. Simplemente no lo sabemos.

Sin embargo, queríamos preguntar. Si pudieras abrir tu navegador web y pedir piezas superconductoras ahora mismo, ¿qué harías con ellas? ¿Quieres alambre? ¿Bobinas? ¿Cambiar dispositivos? ¿Y por qué? Háganos saber en los comentarios a continuación.

Si tienes acceso a nitrógeno líquido, quizás ya lo tengas usando material superconductor. Si es así, háganoslo saber, también. O tal vez estés trabajando en haciendo el próximo material que reclame superconductividad a temperatura ambiente.

Imagen de portada: Los ocho imanes superconductores toroidales en el corazón del LHC, crédito: CERN.

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• Fuente: https://hackaday.com/2024/02/26/ask-hackaday-what-if-you-did-have-a-room-temperature-superconductor/