Jhon Ender Duque V

Subiendo la temperatura: las cerámicas superconductoras


Aunque hoy en día no se conoce con certeza el mecanismo que produce la superconductividad en las cerámicas superconductoras,
parece ser que, a diferencia de los superconductores clásicos, la forma concreta en que se disponen los átomos del cristal
representa un papel muy importante en la aparición del fenómeno. La mayoría de estas cerámicas son conductoras por encima de
su punto de transición, debido a las peculiaridades del enlace entre los átomos de cobre y oxigeno que forman el núcleo
(cuprato) de su composición. Estos átomos se disponen en forma de capas alternas dentro del material, permitiendo que un
cierto número de electrones puedan desplazarse entre los mismos sin resistencia alguna. Todavía no esta muy claro el porqué
son superconductores estos materiales aunque la opinión más generalizada es que este fenómeno está muy relacionado con el
magnetismo. En la cerámica descubierta por Bednorz y Muller se ha observado que, por encima de la temperatura crítica,
exhibe un forma particular de magnetismo. Pero, por debajo de la temperatura de transición, se modifica la estructura
cristalina (u ordenamiento de los átomos), destruyendo el magnetismo y el material se vuelve superconductor

Los descubrimientos asociados a estos materiales han desbocado la carrera por la alta temperatura: el brillo del grial, el
superconductor de temperatura ambiente, deslumbra los ojos de muchos. Pero los obstáculos son todavía enormes. Uno de los
mas importantes apareció apenas se empezaron a estudiar las propiedades de estos materiales dentro de un campo magnético.
La teoría básica del comportamiento de un superconductor respecto a un campo magnético externo fue descrita por el físico
ruso Alexei A. Abrikosov en los años cincuenta. De acuerdo con esta teoría, basada en los trabajos de Ginzburg y Landau, un
superconductor convencional presenta tres estados magnéticos diferentes. En el primero, llamado estado Meissner, el campo
magnético es expulsado casi completamente del interior de material. Apenas penetran en el superconductor las líneas de campo
del imán aparecen unas corrientes superficiales que generan un campo magnético propio que las repelen. Si continuamos
aumentando la intensidad del campo magnético aplicado, el mismo consigue por fin abrirse paso a través del superconductor.
Pero en una primera fase lo hace en forma de líneas de campo discretas, pequeños "agujeros" formados por material normal
en medio del material superconductor. Las corrientes superficiales del estado anterior circulan alrededor de estas agujeros
por los que pasan la líneas de fuerza del imán: de aquí les viene el nombre de vórtices por el que se les conoce. En un
superconductor clásico los vórtices están organizados siguiendo una red triangular regular. En el tercer estado, si el campo
aumenta por encima de un valor critico los núcleos de vórtices se amontonan hasta que todo el material se comporta como un
metal normal y desaparece el efecto superconductor. Los problemas aparecieron cuando se descubrió que los maravillosos
superconductores de alta temperatura no seguían este modelo: al aplicarles un campo de unas diez teslas (20000 veces la
intensidad del campo magnético terrestre) la resistencia del material no solo no disminuía... ¡sino que en ocasiones se
hacia cien veces superior a la del cobre! La razón se descubrió pronto: los vórtices en las cerámicas superconductoras no
permanecen fijos en una estructura triangular rígida, sino que se funden en un estado parecido al líquido, en el que los
vórtices se van desplazando caóticamente. Puesto que cada vórtice esta constituido por una corriente eléctrica que circula
alrededor de un núcleo de materia normal no superconductora, al aplicar una corriente eléctrica adicional a la muestra esta
se suma a la corriente que circula a un lado del vórtice y se resta a la del otro. Como resultado se produce una fuerza que
actual sobre la línea de vórtice semejante a la que aparece en el ala de un avión y que se conoce como fuerza de Magnus. Si
las líneas de vórtices se mueven debido a esta fuerza gastaran energía de la corriente y aparecerá una resistencia eléctrica,
que es precisamente lo que intentábamos evitar. Hoy en día se trabaja intensamente para solucionar este problema. Una de las
estrategias que mas éxito ha tenido ha sido la de fijar los vórtices mediante impurezas astutamente colocadas (dopaje): de
esta forma consigue equipararse su comportamiento al de un superconductor clásico, al impedir el desplazamiento de los
vórtices y el que este movimiento extraiga energía de la corriente suministrada.

El segundo gran obstáculo que apareció es que las cerámicas superconductoras sólo conseguían transmitir una cantidad limitada
de electricidad sin ofrecer resistencia, debido a la estructura en capas del material: si las capas no se alinean
perfectamente los electrones chocan contra la frontera de la región desalineada y se frenan. Este problema se ve empeorado
en presencia de un campo magnético. Una estrategia exitosa en este campo ha consistido en alinear las capas de cuprato
cuidadosamente, a fin de reducir al mínimo las discontinuidades. Para ello se depositan capas micrométricas de material
sobre substratos bien alineados, utilizando las mismas técnicas que se emplean para la fabricación de circuitos integrados.
La combinación de estas dos tecnologías ha conseguido resultados espectaculares: actualmente se manejan densidades de
corriente sobre un YCBO del orden de un millón de amperios por centímetro cuadrado, que descienden a 400.000 en un campo de
9 teslas... mientras que al principio el YCBO solo permitía el paso de 10 amperios por centímetro cuadrado y perdía toda
conductividad en un campo de 0,01 tesla. Estos valores de conductividad ya son comparables a los de los superconductores
tradicionales.

El ultimo gran inconveniente que presentan las cerámicas superconductoras es precisamente ese: que son cerámicas.
¿Os imagináis intentando enrollar un plato hasta formar un canuto, o estirándolo en un hilo de 1 kilometro de longitud?.
El YCBO y sus parientes son cerámicas, frágiles y difíciles de manufacturar en forma de cable. También se ha propuesto
varias soluciones a este problema. En una de ellas, se introduce el polvo a partir del que se obtiene la cerámica en el
interior de un tubo de plata, que se enrolla y prensa en cables. Después simplemente se cuece este material en una atmósfera
de oxigeno para conseguir el superconductor: el resultado puede vérselas con corrientes del orden de 35000 amperios por
centímetro cuadrado a la temperatura del nitrógeno liquido. La otra solución ya la hemos comentado más arriba: crear una
capa de cerámica sobre un soporte flexible lo bastante gruesa como para conducir una gran cantidad de corriente y lo
bastante fina como para ser doblada sin problemas. Después de todo, la resistencia aparece cuando al doblarse se producen
desalineamientos en las hileras de granos superconductores: al utilizar un soporte cristalino, los granos del superconductor
se orientan perfectamente en la dirección de los cristales... al tiempo que son capaces de flexionarse junto con la base
sobre la que se encuentran. Gracias a esta técnica se han producido muestras de YCBO sobre circonio estabilizado capaces de
transportar corrientes como las que comentábamos en el párrafo anterior.

Y los superconductores: ¿para que sirven?

Si algún día los superconductores de temperatura ambiente llaman a nuestra puerta nos veremos inmersos en una revolución
tecnología sin precedentes. Pero aunque no lo hagan, ya existen muchos equipos que utilizan la superconductividad en su
funcionamiento. A continuación daremos un repaso a las aplicaciones mas espectaculares de este fenómeno.

* El SQUID o dispositivo superconductor de interferencia cuántica, fue una de las primeras aplicaciones comerciales de
la superconductividad. Basado en las uniones Josephson, son captadores magnéticos extraordinariamente sensibles que permiten
medir campos magnéticos y tensiones eléctricas increíblemente débiles, con una resolución del orden del picovoltio, una
billonésima de voltio. Los SQUID llevan utilizándose ininterrumpidamente desde los años 60 en multitud de aplicaciones:
detección súper precisa de las señales eléctricas del cerebro y el corazón, comprobación no destructiva de tuberías y
puentes (la fatiga del metal produce una firma magnética peculiar), paleomagnetismo, sensores geológicos para prospecciones
petrolíferas, equipos militares de detección de sumergibles y un largo etcétera.
* Aparatos de formación de imágenes por resonancia magnética, más conocidos como RMN. Con esta técnica se coloca una
sustancia en un campo magnético intenso que modifica el spin de los núcleos de determinados iones. Después, se somete a la
muestra a una onda de radio que reorienta los núcleos. Al desaparecer la excitación se libera un pulso de energía que
proporciona información sobre la estructura molecular de la sustancia... y que puede transformarse en una imagen mediante
técnicas informáticas. El RMN es una herramienta casi indispensable para la formación de imágenes del cerebro, y con el
advenimiento de los superconductores de alta temperatura podrá convertirse en una maquina mucho mas pequeña y barata: los
superconductores clásicos enfriados por helio requieren voluminosos y delicados equipos de refrigeración. En cambio, el
nitrógeno liquido es sencillísimo de producir y utilizar.
* Ordenadores mas rápidos. Otra aplicación de las uniones Josephson es la posibilidad de fabricar transistores basados
en ellas. Estos circuitos podrían activarse y desactivarse muy rápidamente con un consumo de potencia mínimo. En teoría, un
ordenador basado en el efecto Josephson sería 50 veces más rápido que uno convencional, aunque hasta hoy no ha sido
construido debido a problemas de fiabilidad, de interfaces y a la dificultad de competir con un adversario tan poderoso
como los circuitos de silicio (muchísimo mas económicos y sencillos de utilizar).
* ¿Necesita usted un campo magnético inmenso?: no lo dude, ponga un superconductor en su vida. En todas aquellas
aplicaciones en que sean necesarios campos de una intensidad enorme, los superconductores clásicos no tienen rival.
La forma mas evidente de crear un campo magnético es mediante una bobina de cable enrollado, que al ser atravesada por
una corriente eléctrica crea un campo directamente proporcional a la intensidad de la misma. Pero el campo máximo que
podemos generar no es muy grande, ya que al incrementar la corriente los cables comienzan a calentarse peligrosamente
debido a la resistencia eléctrica. Con los superconductores no pasa esto: su resistencia es cero y pueden producir campos
magnéticos altísimos. La aplicación típica en este caso son los aceleradores de partículas como el Tevatron del Fermilab
en EE.UU. con una capacidad de un teraelectrón voltio (TeV), equivalente a un billón de voltios.
* Los imanes basados en superconductores de alta temperatura todavía están lejos de estos márgenes... aunque ya se
pueden conseguir imanes de cerámicas superconductoras que pueden generar un campo de dos teslas, cinco veces mayor que el
que se puede conseguir con un imán permanente. Estos imanes se utilizan por ejemplo en los trenes de alta velocidad sobre
cojín magnético (MAGLEV). Los trenes tipo SED (suspensión electrodinámica) japoneses pueden desplazarse de 320 a 500 Km/h
mediante imanes superconductores que inducen corrientes en las bobinas conductoras de las guías. Esta interacción eleva al
vehículo unos 15 cm del suelo, como si fuera un avión en vuelo rasante. A menos de 100 Km/h, este vehículo circula sobre
ruedas como un tren convencional.
* Transporte de energía mediante cables eléctricos, transformadores de corriente y conmutadores de potencia. De este
modo se podría reducir el recibo de la luz al compensarse el importante porcentaje de energía eléctrica que se disipa en
forma de calor debido a la resistencia eléctrica. También podrían utilizarse como limitadores de corriente,
proporcionándonos un voltaje mas estable. Hace poco, el Departamento de Energía de Estados Unidos ha anunciado el primer
proyecto de uso comercial a gran escala de los superconductores de alta temperatura. Se pretenden instalar cables
superconductores de unos 130 metros en una subestación eléctrica de Detroit. Se sustituirán los cables de cobre de tal
manera que la nueva instalación albergara una capacidad tres veces mayor (24000 voltios). Sin embargo, el principal
inconveniente para que esta prueba se generalice es el alto coste, ya que se han presupuestado unos 5,5 millones de dólares.
* Almacenamiento de energía mediante superconductores magnéticos de almacenamiento de energía (SMES). Este sistema
consiste en "cargar" una bobina superconductora de electricidad y luego cerrarla formando un anillo. La corriente
teóricamente circularía sin perdidas, y cuando hubiera que utilizarla bastaría con abrirla y extraer la cantidad necesaria.
Este sistema se ha propuesto, por ejemplo, para el almacenamiento de energía en vehículos eléctricos.
* Combinación de corrientes y magnetismo para la generación de potencia y trabajo, como motores y generadores
eléctricos muchísimo mas eficientes.
* Investigación espacial. En el espacio, protegidos de la luz solar, es fácil conseguir temperaturas dentro del rango
funcional de los superconductores de alta temperatura. En este aspecto la NASA ha financiado diferentes estudios sobre
sensores y elementos de actuación electromecánicos con vistas a su utilización en naves espaciales...