Materiales superconductores: tecnología clave en el siglo XXI

Materiales superconductores: tecnología
clave en el siglo XXI
En ciertas condiciones se observan en algunos materiales, los superconductores, propiedades
eléctricas y magnéticas excepcionales. Por ejemplo, la resistencia al paso de corriente continua
es nula. Las aplicaciones de los superconductores están cada vez más presentes en la vida
cotidiana y es fácil prever que tendrán especial importancia en el desarrollo de nuevas
tecnologías durante este siglo. Antón Fente, estudiante del máster de Física de la Materia
Condensada y Nanotecnología en la UAM y joven investigador del Laboratorio de Bajas
Temperaturas, presenta aquí una contextualización de la superconductividad y habla sobre la
visita la UAM del Profesor Paul C. Canfield, distinguido experto en estos y otros materiales de
interés actual.
Por Antón Fente, estudiante del Máster de Física de la Materia Condensada y
Nanotecnología
UAM | Abril de 2012
La sociedad actual se enfrenta a un profundo cambio en la producción y uso de la energía y por
ello se hacen necesarios nuevos métodos de generación, distribución y gestión más racionales,
justos y eficientes. La comunidad científica recoge el testigo, aportando nuevas tecnologías
para formar una sociedad en armonía con el medio ambiente.
Cien años después de su descubrimiento en 1908 por H. Kamerlingh Onnes1, la
superconductividad ha dado pasos de gigante, aportando teorías y conceptos que se aplican
en numerosas ramas de la Física, desde los inicios del Universo, hasta las estrellas de
neutrones, y ha transformado varios aspectos de nuestra vida cotidiana. Sin duda la mejora
más conocida en este sentido es la relacionada con la toma de imágenes en medicina, en
concreto la resonancia magnética, donde se utilizan campos magnéticos generados por
solenoides superconductores2. La superconductividad también ha hecho posible experimentos
únicos como el LHC3, y forma parte del núcleo del desarrollo tecnológico en ITER4.
1
http://www.uam.es/otros/superc11/
http://www.bruker-biospin.com/nmr_magnets.html
3
http://cdsweb.cern.ch/record/473537/files/lhc-project-report-441.pdf
4
http://www.iter.org/mach/magnets
2
(a)
(a)
Figura 1. H. Kamerling Onnes (a) observó en 1908 como la resistividad del mercurio caía a cero por
debajo de 4.2K (b).
Dadas las necesidades de la vida moderna y la creciente actividad empresarial alrededor de
ITER, LHC, y numerosas iniciativas científicas a menor escala5, es fácil prever que el papel de la
superconductividad en las tecnologías del siglo XXI será clave y que su uso a gran escala en
aplicaciones de la vida cotidiana está cada vez más cerca6.
Muchos científicos e ingenieros opinan que la superconductividad transformará en poco
tiempo la red eléctrica, ayudando al desarrollo de la red “inteligente” (smart grid), capaz de
adaptar el consumo a la producción de forma eficaz, enfrentándose al problema de la
producción irregular de energía de fuentes limpias.
La superconductividad tiene potencial para impactar notablemente sobre todos los aspectos
de la generación y distribución de electricidad:

En la generación, a través de, por ejemplo, la construcción de
aerogeneradores de 10 MW7.

En el almacenamiento.

En la distribución, a través de cables más eficaces8.

En la conversión de energía, a través de limitadores de corriente o
transformadores9.
5
http://www.emfl.eu/
http://www.emergentuniverse.org/#/applications
7
http://www.suptech.com/home.php
8
http://www.tresamigasllc.com/technology.php
6

En el consumidor, a través de máquinas rotativas (motores) más pequeños y
eficientes.
La ciencia y tecnología de la superconductividad se encuentra en un punto medio entre la
ciencia de los materiales, la química, la física y la ingeniería. En particular, han sido los
descubrimientos en ciencia de los materiales 10 los que han revolucionado regularmente cada
5-10 años el campo. Los superconductores a base de NbTi y Nb3Sn, que son los más utilizados
actualmente, se desarrollaron a lo largo de los años 70. En los 80 se descubrieron los
superconductores de alta temperatura crítica (cupratos superconductores), y hoy en día hay
una actividad muy fructífera alrededor de la fabricación de cables superconductores (en su
mayoría en forma de cintas), que, en su segunda generación, presentan características muy
útiles para numerosas aplicaciones.
(a)
(b)
Figura 2. (a) Solenoide superconductor de MgB2. (b) Sistema de imagen por Resonancia Magnética con
solenoides de MgB2. Esta tecnología permite un sistema abierto disminuyendo la sensación de
claustrofobia de los pacientes.
El descubrimiento de MgB2 en los años 9011 supuso una sorpresa para muchos físicos, y un
cambio en la estrategia de búsqueda de nuevos materiales. Este caso es especialmente
significativo, ya que, en menos de 10 años, se ha conseguido entender completamente los
principios que rigen la superconductividad en este material12, y fabricar las primeras
9
http://www.suptech.com/hts_wire_faultcurrentlimiter.php
http://www.nicolascabrera.es
11
"Superconductivity at 39K in magnesium diboride", J. Nagamatsu et al., Nature 410, 63-64 (1 March
2001) http://www.nature.com/nature/journal/v410/n6824/abs/410063a0.html
12
"Tunneling Spectroscopy in small grains of MgB2", G. Rubio-Bollinger, H. Suderow and S. Vieira,
Phys.Rev. Lett. 86, 5582–5584 (2001), http://prl.aps.org/abstract/PRL/v86/i24/p5582_1
10
aplicaciones13. Más recientemente, los pnicturos de hierro y materiales similares, generan gran
actividad.
Además, el coste de enfriamiento, necesario hasta ahora para alcanzar el estado de
superconductividad, ha caído considerablemente a lo largo de las últimas décadas. Hoy día
existen numerosas alternativas comerciales para llegar a temperaturas de aproximadamente
20 K con un coste asumible, a base de refrigeradores de Stirling o de tubos pulsados. Es por
tanto más relevante para el desarrollo de nuevas aplicaciones obtener corrientes críticas
elevadas o sistemas en los que la superconductividad soporte campos magnéticos más
elevados, que subir la temperatura de funcionamiento. El desarrollo de las tecnologías del frío
es parejo al de la superconductividad, y hoy en día ambos van de la mano en la búsqueda de
nuevas aplicaciones.
Síntesis de monocristales superconductores por estudiantes UAM
El Profesor Paul C. Canfield, reconocido experto en la síntesis de nuevos materiales
superconductores, visitó la Universidad Autónoma el último trimestre del año pasado. Con tal
motivo se montó en el Laboratorio de Bajas Temperaturas el aparataje necesario para la
síntesis de monocristales crecidos a partir de exceso de flujo14. Gracias ello los alumnos del
máster participamos en la síntesis de aleaciones binarias y ternarias que luego tendríamos la
oportunidad de estudiar en profundidad.
Durante su estancia Canfield impartió seminarios sobre síntesis y caracterización de nuevos
materiales. En ellos nos mostró la ventaja que supone disponer de muestras monocristalinas
de gran pureza, ya que son sensibles a las anisotropías del material y facilitan la medida al
minimizar los efectos de las impurezas. Esto hace más sencilla la comprensión del origen de los
fenómenos que observamos en ellas.
13
14
http://ir.bruker.com/phoenix.zhtml?c=121496&p=irol-newsArticle&ID=1362507&highlight=8
"Solution growth of intermetallic single crystals: A beginner's guide". Paul C. Canfield
Figura 3. El Prof. Paul C. Canfield en el Laboratorio de Bajas Temperaturas durante su visita a la UAM.
Canfield no limitó sus clases al crecimiento del cristal como tal, sino que recorrió todo el
proceso de síntesis, que como toda buena receta de cocina comienza planteando qué se
quiere conseguir o qué se busca para saber qué ingredientes mezclar15. Ciertos elementos
pueden ser buenos sustitutos para otros, por tener por ejemplo una estructura electrónica
similar, y a la vez pueden dotar al material de propiedades magnéticas o aumentar su
densidad.
Si queremos buscar nuevos materiales superconductores no basta con mezclar materiales al
azar sino que resulta necesario saber cómo elegirlos, es decir, hay que desarrollar una
intuición16 que nos acerque a las propiedades deseadas.
Con objeto de mejorar y continuar con la síntesis de nuevos materiales en el LBT, visitaremos
durante el verano el laboratorio de Canfield en Iowa (Estados Unidos)17.
La investigación en ciencia de materiales y en particular sobre la superconductividad resulta,
como hemos dicho, indispensable dado el panorama actual, y solamente es posible si
conocemos y comprendemos las propiedades que buscamos, siendo los monocristales una
excepcional vía para hacerlo.
15
”A cook's tale”, Paul C. Canfield - Nature Physics, Commentary (Vol 5) August 2009
"Fishing the Fermi sea", Paul C. Canfield - Nature Physics (Vol 4) March 2008
17
http://cmp.physics.iastate.edu/canfield/members.html
16
Además de esto, y a título personal, he de reconocer que el hecho de hacer medidas sobre
cristales que uno mismo ha sintetizado añade una satisfacción extra a la investigación.