Elevando la temperatura: Superconductividad - UAM-I

Elevando la temperatura: Superconductividad
Ma r t ¶ ³n Gu e va r a Ma r t ¶ ³n e z
In g e n ie r ia Qu ¶ ³m ic a . D ivis io n CB I. U A M-I.
Introducci¶
on
Hacia el a~
no de 1911, se descubri¶o una nueva propiedad de la materia, ¶esta fue denominada superconductividad, la cual consiste en que algunos materiales al encontrarse en un medio que est¶a por debajo de los cero grados cent¶³grados no presentan resistencia al paso de la corriente pero s¶³ el maravilloso
efecto Meissner que consiste en que el material expulsa todo campo magn¶etico de su interior. Estos
materiales son generalmente del tipo met¶
alico aunque los hay de tipo cer¶amico que son aleaciones con
el grupo de las tierras raras y son del tipo inorg¶
anico,
no met¶
alico. Se cree que en un futuro puedan existir materiales del tipo org¶anico formados por cadenas de carbono. Actualmente se prueba con materiales a ¯n de que presenten el fen¶omeno de la superconductividad a temperaturas cercanas al medio
ambiente.
contrar resistencia en el mercurio! Este nuevo estado
lo llam¶
o superconductividad; a partir de ese momento nac¶³a una nueva l¶³nea de investigaci¶
on: el estudio de los materiales superconductores. Dos a~
nos
m¶
as tarde en 1911, Heike Kamerlingh Onnes recibi¶
o el premio Nobel por su descubrimiento y muchos laboratorios en el mundo comenzaron a reproducir los experimentos.
La electricidad
La importancia de este descubrimiento es que ayud¶o
a comprender c¶
omo °uye la electricidad dentro de
un alambre. La electricidad es un fen¶
omeno producido por un °ujo de electrones. A este °ujo se le
denomina corriente el¶ectrica y el material por donde °uye conductor. El cobre es el conductor m¶as
com¶
un que conocemos, pero no es el u
¶nico; el aluminio, la plata y el oro son excelentes conductores pero su fabricaci¶
on ser¶³a muy costosa por obvias razones. Por otro lado, existen materiales como el caucho o la madera que no son buenos conductores; a ¶estos se les denomina aislantes. Tambi¶en existen los semiconductores, ¶estos aunque conducen la electricidad no lo hacen tan bien como el cobre. Sin embargo, ni los mejores conductores (como el cobre) son perfectos. Gran parte de electricidad que circula a trav¶es de ellos se pierde en forma de calor debido a la \resistencia " .
Pero. . . adentr¶emonos en este mundo fascinante de
la ciencia, aquellos tiempos que presenciaron el nacimiento de esta nueva tecnolog¶³a y ve¶
amos qu¶e
impulso desarrollar¶a estos materiales del pr¶
oximo
siglo.
La aventura
Todo comienza en el a~
no de 1908 en el laboratorio de bajas temperaturas de la Universidad de Leyden, Holanda. Un cient¶³¯co trabaja con gran inter¶es en obtener por vez primera en el mundo helio
l¶³quido el cual en su estado natural es un gas(como
el aire) pero que al licuarse pasa al estado l¶³quido. Se
lic¶
ua, esto es se vuelve l¶³quido a 4.22 K (grados Kelvin) que son ¡268:8o C (grados cent¶³grados) demasiado fr¶³o >no es as¶³? pues este helio l¶³quido sirvi¶
o para explorar la materia y su comportamiento al pasar la corriente el¶ectrica, en especial de los metales
en aquel tiempo. El cient¶³¯co que realiz¶o estos experimentos fue nada menos que Heike Kamerlingh
Onnes, actual padre de la superconductividad, utilizando mercurio en sus experimentos pues era el elemento que con m¶as pureza pod¶³a obtenerse. Colocando el mercurio dentro de un recipiente de forma cil¶³ndrica que por los extremos ten¶³a unas conexiones de modo que la corriente entraba por un extremo, atravesaba el mercurio y sal¶³a por el otro extremo al cerrarse el circuito, la corriente <°uy¶
o sin en-
>Qu¶
e es la resistencia?
La resistencia es el impedimento al libre paso de la
electricidad, los electrones al ser acelerados por una
diferencia de potencial van circulando por el conductor en forma desordenada golpe¶
andose unos y otros
generando con estos golpes, calor. Antes de 1911 no
hab¶³a forma de eliminar la resistencia en los conductores, pero con la aparici¶
on de los superconductores las p¶erdidas en la electricidad disminuyeron; esto no quiere decir que sea la panacea de la investigaci¶
on pero s¶³ un campo que promete muchas sorpresas en el futuro.
19
20
ContactoS 36, 19{23 (2000)
A los superconductores se les clasi¯ca en dos grupos: los de tipo met¶alico como el plomo, esta~
no, alu¶
minio, etc. Estos
reciben el nombre de superconductores ideales o \perfectos" y por otro los de tipo cer¶
amico constituidos con aleaciones de tierras raras y reciben el nombre de superconductores \duros". Un tercer grupo son los de tipo org¶anico formado en su mayor¶³a por cadenas de carbono como lo
son los fullerenos que alcanzan la superconductividad a 18 K que equivalen a ¡255± C muy cerca del
cero absoluto.
La clasi¯caci¶
on de los superconductores puede parecer un tanto arbitraria pero la diferencia m¶as palpable es comprobar si presentan dos condiciones importantes: una, que la resistencia al paso de la corriente sea nula y la otra que presenten el efecto \Meissner". Ahora, las dos condiciones anteriores para un
superconductor tienen la siguiente explicaci¶on:
1: Que cuando se enfr¶³a por debajo de su temperatura cr¶³tica (temperatura a la cual pasa al estado superconductor) los electrones viajan en una forma ordenada, en lo que se conoce como \par de Cooper". Este concepto que constituye la teor¶³a del par
de Cooper fue el camino hacia la teor¶³a microsc¶
opica
de la superconductividad dada por sus autores Bardeen, Cooper, y Schrie®er en 1957. Su explicaci¶
on es la siguiente: \cuando un electr¶on (con carga
negativa) viaja a trav¶es de la red cristalina del material encuentra que a sus lados hay iones con carga positiva, este electr¶on sentir¶a la atracci¶on de los iones
pero, si al otro lado va otro electr¶on viajando en forma paralela tambi¶en sentir¶a la atracci¶on de estos iones, entonces los dos electrones <se unir¶an por medio de los iones! <fabuloso! >no? Y de esta forma viajar¶
an en pares de Cooper", como se ve en la
¯gura 1.
F ig ura 1 . D o s e le c tro ne s v ia ja n a tra v ¶e s de la re d c rista lina , lo io ne s po sitiv o s sie nte n la a tra c c i¶o n de ¶ e sto s, a s¶ ³
po r me dio de la re d se une n y v ia ja n e n pa re s.
F ig ura 2 . U n im¶a n e s \ le v ita do " , e sto e s °o ta e n la
supe r¯c ie de un ma te ria l supe rc o nduc to r, e ste e fe c to
lla ma do e fe c to \ M e issne r" e s utiliz a do pa ra le v a nta r
tre ne s de g ra n pe so .
2: Ahora, si el superconductor se encuentra dentro de un campo magn¶etico producido por un im¶
an,
el campo rodea al superconductor pero no penetra
en ¶el sino que lo rechaza haciendo que el <im¶an °ote!. De esta manera la experiencia ha demostrado que los superconductores de tipo met¶alico s¶
olo
son superconductores de la electricidad presentando resistencia nula al paso de la corriente mas no
el efecto Meissner, no es as¶³ los materiales de tipo cer¶
amico que presentan tanto resistencia nula como efecto Meissner, ver ¯gura 2.
complejos debido a su naturaleza granular; por esto di¯cultan la puesta en marcha de aplicaciones de
los mismos en forma inmediata a pesar del gran esfuerzo investigador que se est¶
a realizando. Es cierto que el gran problema, con los superconductores de
tipo cer¶
amico es su manejo, pues son muy quebradizos, pero existen en la actualidad empresas que compiten fuertemente por fabricar materiales cada vez
m¶
as resistentes, tal es el caso de la empresa norteamericana American Superconductor que ha dise~
nado
un cable compuesto de hilos peque~
nos superconductores de cuatro micrones de espesor, con una con¯guraci¶
on hexagonal, esto con el prop¶
osito de que pueda doblarse y resistir el agrietamiento.
El tiempo que se requiere para preparar un experimento son de diez a doce horas que duran las bajas temperaturas con hetio liquido. Pero se necesitan de unas ocho horas de preparativos. Los superconductores con ¶oxidos cer¶amicas multimet¶alicos de
temperaturas superiores a 77K (¡196± C) son muy
Sus aplicaciones
La aplicaci¶
on de la superconductividad est¶
a en casi todos los campos como: la medicina, en equipos de resonancia magn¶etica nuclear o las maquinas MRI angiograf¶³a de proyecci¶
on que sirve para hacer medidas del °ujo sangu¶³neo en la red de ar-
Elevando la temperatura: Superconductividad. Mart¶³n Guevara Mart¶³nez.
21
terias, venas del cuello y la cabeza; esta medici¶
on
se realiza colocando al paciente dentro de un superconductor hueco emplea un im¶an superconductor
de cinco toneladas que genera un campo magn¶etico
<3OOOO veces superior al terrestre!
En los transportes su utilizaci¶on es en los trenes de
levitaci¶
on magn¶etica y su funcionamiento es de la
siguiente manera: los polos magn¶eticos iguales se
repelen, mientras que los opuestos se atraen. Un
sistema de electroimanes que var¶³a seg¶
un el tipo
de dise~
no es colocado sobre los ra¶³les y en los coches de los trenes. Unos imanes se emplean para elevar el tren y otros para impulsarlo alcanzando velocidades de hasta 300 km/h. En la f¶³sica
se utiliza la superconductividad en el ¶area de altas
energ¶³as, aqu¶³ se utilizan enormes aparatos llamados
aceleradores de part¶³culas, aceleran part¶³culas
cargadas (electrones y protones) mediante campos
magn¶eticos que se generan debido a los electroimanes
superconductores.
La mayor¶³a de los aceleradores se dise~
nan para hacer chocar a las part¶³culas entre s¶³, apareciendo otras
part¶³culas y materiales. Un nuevo super acelerador,
conocido como SSC (s¶
uper colisionador) ser¶³a construido por el gobierno de Estados Unidos, con un
valor de 4.4 billones de d¶olares, su construcci¶
on se
autoriz¶
o desde enero de 1987. Sin embargo, despu¶es de un gasto de 2 billones de d¶olares el proyecto se anul¶o. El SSC ser¶³a 20 veces m¶
as potente que el tevatr¶on (otro s¶
uper acelerador) que se encuentra en el Fermilab y acelera part¶³culas con una
energ¶³a de 1 Tev (1 Tev es 1012 electr¶on-voltios).
En su lugar se construy¶o en Ginebra Suiza el LHC
(colisionador lineal de hadrones) esta en el CERN
(Centro Europeo de Investigaciones Nucleares). Se
espera que entre en operaci¶on para el a~
no 2006.
Se sabe que diversos laboratorios de Estados Unidos tienen planeada la construcci¶
on de una m¶aquina que sobrepasar¶³a a ambas el LHC y el SSC(proyecto fracasado). La meta es alcanzar 50 Tev con la intenci¶on de hacer colisionar protones, esta nueva m¶aquina seria llamada el VLHC (gran colisionador de
hadrones).
En la cuesti¶
on de producci¶on de energ¶³a tambi¶en est¶
a
presente la superconductividad, por ejemplo, la fusi¶
on es una fuente alternativa y ¶esta se da cuando dos ¶
atomos ligeros (deuterio + tritio) se unen
o fusionan, para formar un ¶atomo m¶as pesado (helio). Este es el tipo de reacci¶on que se da en el Sol.
La Uni¶
on Sovi¶etica fue el primer pa¶³s en hacer funcionar una m¶aquina de fusi¶on con bobinas electromagn¶eticas superconductoras. Esta m¶aquina llamada T-7, fue dise~
nada y construida en el instituto Kur-
F ig ura 3 . El g ra n a c e le ra do r de pa rt¶ ³c ula s \ s¶upe r c o lisio na do r" utiliz a g ra nde s ima ne s supe rc o nduc to re s pa ra a c e le ra r pa rt¶ ³c ula s.
chatov y tiene 48 bobinas superconductoras de una
aleaci¶
on de niobio-titanio. Francia est¶
a construyendo otra con 18 bobinas superconductoras para no
quedarse atr¶
as en esta competencia.
Subiendo la temperatura
Los adelantos en subir la temperatura cr¶³tica de los
superconductores se dieron en Europa, en 1986; dos
f¶³sicos Alex Muller y George Bednorz experimentando con materiales denominados perovskitas descubrieron con gran sorpresa que se volv¶³an superconductores a una temperatura mayor a las conseguidas previamente. Los dos cient¶³¯cos publicaron su
hallazgo, repitieron sus experimentos otros laboratorios y en ese mismo a~
no fueron galardonados con
el premio Nobel.
En febrero de 1987 un equipo de la Universidad de
Houston a cargo del Dr. Paul Chu, sintetiz¶
o un material cer¶
amico superconductor con una temperatura cr¶³tica de 94 K equivalente a ¡179o C muy superior a la temperatura de ebullici¶
on del nitr¶
ogeno de
77 K que equivale a -196o C.
Por primera vez pod¶³a utilizarse un agente de refrigeraci¶
on relativamente econ¶
omico, como lo es el
nitr¶
ogeno l¶³quido. Cabe se~
nalar algo importante:
que para alcanzar temperaturas mayores en los materiales superconductores es necesario trabajar con
materiales quebradizos. Los materiales superconductores de tipo cer¶
amico han ido mejorando paulatinamente; los primeros eran los de YBCO que dieron buenos resultados al principio, pero se descubri¶o
que presentaban defectos al paso de la corriente, esto porque su estructura (a nivel microsc¶
opico) est¶a
desordenada lo cual provoca que haya una dif¶³cil circulaci¶
on de la corriente pues los planos no est¶an ali-
22
C nt ct S 3 , 1 {2 (2 00
F ig ura 4 . El re a c to r de fusi¶o n \ to k a ma k " ; sus g ra nde s
bo bina s de ma te ria l supe rc o nduc to r g e ne ra n c o rrie nte s
su¯c ie nte me nte g ra nde s pa ra c o n¯na r e l pla sma .
neados; por ende sus uniones son d¶ebiles. Otra cosa importante: s¶olo se pueden hacer pel¶³culas superconductoras, por su fragilidad nunca se ensay¶o un cable. No fue as¶³ con otros superconductores que presentan un mejor resultado: son los BSCCO (¶
oxido
de bismuto, estroncio, calcio y cobre); ¶este es un material que, a nivel microsc¶opico, presenta una estructura laminar y m¶as ordenada en la cual la corriente no encuentra obst¶aculos al pasar de un plano a
otro. Con estos materiales se han logrado cables superconductores.
F ig ura 5 . T re n \ le v ita do "
v e lo c ida de s de 3 0 0 k m/ h.
de o rig e n ja po n¶e s; a lc a nz a
Se ha investigado tambi¶en otro tipo de superconductor: ¶
oxido de talio, bario, calcio y cobre (denominados TBCCO); en ¶estos las temperaturas de transici¶
on son de 120K (¡153o C); ¶estos compuestos presentan estructura esf¶erica, debido a ello no es posible trabajarlos y hacer cables.
El proceso que se sigue es empacar el polvo en un tubo y aplicar presi¶on hasta hacer el cable. El problema con los TBCCO es que su estructura esf¶erica impide la compresi¶on. Muchos son los laboratorios que
han echado las campanas al vuelo tras haber descubierto superconductores a temperatura ambiente e
incluso a temperaturas superiores. Sin embargo la
superconductividad se mani¯esta en zonas muy localizadas del material. Quiz¶a ya en este nuevo siglo aparezca una nueva teor¶³a que explique este secreto de los superconductores.
F ig ura 6 . Eq uipo de re so na nc ia ma g n¶e tic a nuc le a r. El
suje to e s c o lo c a do e n e l c e ntro de un c a mpo ma g n¶e tic o
de a lta inte nsida d g e ne ra do po r lo s ima ne s c irc ula re s.
Elevando la temperatura: Superconductividad.
rconductividad. Mc Graw-Hill
de Divulgaci¶
on Cient¶³¯ca. M¶exico. D. F. 1992.
5. Malamud, Emest. Informaci¶
on personal,
Cient¶³¯co Mayor, Fermilab E. U. 2000
6. Yam, Philip. Al corriente. Investigaci¶
on y Ciencia, febrero, 1994.
cs
24
L ¯g
e t .
Co ta to
ra o r e c a d l a t¶ c u o \ A c do ul h¶ dr c o e l lo a h e v
e i o d s ul a s le to e s a u o r s. a r da c io n
po
ri o y
lg
m¶ s. . d l N
36 19 23 20 0)
.3
de
o na c t S s