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El conocimiento científico crece gracias a la labor de miles de personas que se esfuerzan, hasta el agotamiento, por encontrar respuestas a los enigmas que plantea la Naturaleza. En cada programa un científico conversa con Ángel Rodríguez Lozano y abre para nosotros las puertas de un campo del conocimiento.

Superconductores a alta temperatura. Hablamos con Teresa Puig.

Superconductividad a alta temperatura - Hablando con Científicos podcast - Cienciaes.com

Una corriente eléctrica es un flujo de electrones en movimiento. A medida que la corriente se desplaza por un cable conductor o por un dispositivo electrónico, los electrones van encontrando obstáculos que impiden su movimiento con libertad, como consecuencia pierden una parte de su energía y generan calor. La sociedad moderna está basada en el uso de la electricidad y los fenómenos relacionados con ella. La energía que recogemos del Sol, del viento o de los saltos de agua, la energía nuclear o la que se genera en las centrales térmicas necesita ser convertida en energía eléctrica y transportada enormes distancia hasta sus lugares de consumo, un consumo que exige la utilización de dispositivos que emplean directamente la energía eléctrica o la convierten en otras formas de energía para satisfacer nuestras necesidades o caprichos. Pero durante todo ese ir y venir de electrones de un lado a otro, una parte nada despreciable de la energía que transportan, se calcula que el 10%, se pierde irremediablemente.

La Ciencia nos ha enseñado que existen circunstancias bajo las cuales la electricidad puede ser conducida sin pérdidas, un fenómeno que, si se pudiera aprovechar, podría evitar el despilfarro de enormes cantidades de energía. Su descubrimiento se debió al empeño de un científico holandés por acercarse lo más posible a la temperatura más fría que puede existir en el Universo: el cero absoluto (0K) o, lo que es lo mismo, 273,15 ºC bajo cero.

A principios del siglo XX, Heike Kamerlingh Onnes, que así se llamaba el investigador, logró desarrollar un proceso para enfriar el helio, hasta licuarlo, a tan solo 4,2K (- 269ºC). Al alcanzar temperaturas tan bajas, la naturaleza comenzó a mostrar propiedades sorprendentes, incomprensibles para los científicos de la época.

Sabemos que cuando un fluido recibe energía, su temperatura se eleva hasta que entra en ebullición. Así, un recipiente con agua puesto al fuego, en condiciones normales, aumenta su temperatura hasta alcanzar los 100ºC, a partir de ese momento la temperatura se estabiliza y toda la energía suministrada se emplea en ese cambio desde la fase líquida a la de vapor. Una propiedad muy práctica para cocinar un huevo duro sin que se queme. Bien pues, si en lugar de agua, utilizamos helio líquido, esa temperatura de ebullición sería de 269 ºC ¡bajo cero!, por lo tanto se puede utilizar el helio para enfriar otros materiales hasta esa bajísima temperatura.

Cuando Onnes logró licuar el helio, quiso comprobar cómo se comportaba un conductor eléctrico a temperaturas cercanas al cero absoluto y, para ello, enfrió mercurio y midió su resistencia eléctrica a medida que la temperatura descendía. La sorpresa fue mayúscula al comprobar que la disminución era gradual pero, cuando el mercurio llegaba a los 4,2K (- 269 ºC), se producía un salto brusco y la resistencia desaparecía por completo. Había descubierto una nueva propiedad de la materia: la superconductividad.

Kamerlingh Onnes recibió el premio Nobel de Física en 1913 “por sus investigaciones sobre las propiedades de la materia a bajas temperaturas que condujeron, entre otras cosas, a la producción de helio líquido”.

El descubrimiento de la superconductividad disparó la imaginación de muchas personas. Científicos de todo el mundo comenzaron a soñar con nuevos materiales superconductores que funcionaran a más altas temperaturas, quizás a la temperatura ambiente. Soñaban con instalaciones eléctricas de alta energía capaces de transportar sin pérdidas enormes corrientes utilizando cables superconductores, sistemas de almacenamiento de electricidad en bucles superconductores por los que circularan corrientes sin descanso, bobinas superconductoras capaces de crear formidables campos magnéticos, vehículos flotantes que levitaran sobre imanes superconductores, botellas magnéticas capaces contener el plasma utilizado en los reactores de fusión nuclear, dispositivos electrónicos pequeñísimos sin problemas de calentamiento, etc.

Pero las expectativas pronto chocaron con la cruda realidad. Los avances en la búsqueda de nuevos materiales superconductores fueron lentos y difíciles. A lo largo de 75 años posteriores al descubrimiento de la superconductividad se experimentaron muchos compuestos y aleaciones, pero la temperatura crítica, a partir de la cual el material perdía las propiedades superconductoras, no llegó a superar los 23K (-253ºC). Así pues, aunque todo lo soñado pudo hacerse realidad, la necesidad de enfriar los dispositivos a tan bajas temperaturas impidió el desarrollo esperado.

Todo empezó a cambiar en 1986 con el descubrimiento un material superconductor nuevo, cerámico, desarrollado por investigadores de IBM en Zurich. Un año después, investigadores de la Universidad de Houston anunciaron el descubrimiento de un superconductor (YBaCuO ) cuya temperatura crítica era de 98K (-175ºC). Éste fue un descubrimiento extraordinario porque, para conseguir esa temperatura, se puede utilizar nitrógeno líquido, cuyo punto de ebullición a presión normal se produce a 77,35 K , mucho más abundante, barato y fácil de obtener que el helio. A partir de ese momento se produjo una nueva carrera en la lucha por la superconductividad a alta temperatura. Actualmente el récord está en 250K (-23ºC) conseguido en 2018.. Esa temperatura existe habitualmente en algunos lugares de la Antártida, pero, desgraciadamente, el nuevo material solo se comporta como superconductor cuando se encuentra a presiones extremadamente altas, que hacen su uso inviable a efectos prácticos.

Una cosa es descubrir nuevos materiales superconductores, en las condiciones muy especiales de los laboratorios de investigación, y otra muy distinta es demostrar que estos son viables comercialmente. Aunque actualmente se utilizan materiales superconductores en aplicaciones científicas especiales, utilizando helio como refrigerante, faltan desarrollos que permitan la producción a gran escala de materiales superconductores a alta temperatura y puedan competir en precio y prestaciones con los conductores metálicos corrientes. Este es el objetivo de las investigaciones que lleva a cabo nuestra invitada hoy en Hablando con Científicos, Teresa Puig Molina, jefa del Departamento de Materiales Superconductores y nanoestructuras a gran escala en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

Durante nuestra conversación, Teresa Puig explica las dificultades que tiene la elaboración de un material superconductor a alta temperatura que se pueda fabricar en cintas flexibles de kilómetros de longitud, entendida como “alta temperatura” la que supera la de ebullición del nitrógeno líquido. El grupo de Materiales Superconductores y nanoestructuras a gran escala lleva años investigando formas de crecimiento de películas de material superconductor de una micra de espesor sobre cintas flexibles de una anchura de un centímetro. Sus investigaciones han permitido desarrollar procesos que permiten la formación de delgadísimas capas de material superconductor, sobre un soporte flexible, con velocidades de crecimiento 100 veces superiores a las actuales en capas gruesas. El reto es conseguir que el proceso de fabricación sea viable y las cintas superconductoras se puedan obtener industrialmente a un bajo costo y con un alto rendimiento de manera que pueda competir en el mercado con los conductores metálicos actuales. Para lograr este objetivo, el Grupo de Teresa Puig ha recibido una ayuda Proof of Concept del “Consejo Europeo de Investigación (European Research Council)”: https://erc.europa.eu/.

Os invito a escuchar a Teresa Puig Molina, investigadora en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y jefa del Departamento de Materiales Superconductores y nanoestructuras a gran escala.


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