Superconductivitat a alta temperatura

Inicialment, els superconductors tenien una aplicació molt limitada, ja que la seva temperatura de funcionament no hauria de superar els 20K (-253 ° C). Per exemple, la temperatura de l’heli líquid a 4,2 K (-268,8 ° C) s’adapta bé perquè funcioni el superconductor, però es necessita molta energia per refredar i mantenir una temperatura tan baixa, que és tècnicament molt problemàtica.

Els superconductors d'alta temperatura descoberts el 1986 per Karl Müller i Georg Bednorets van mostrar una temperatura crítica molt més elevada, i la temperatura del nitrogen líquid a 75 K (-198 ° C) per a aquests conductors és suficient per funcionar. A més, el nitrogen és molt més barat que l’heli com a refrigerant.

El descobriment, el 1987, d'un "salt de conductivitat a gairebé zero" a una temperatura de 36K (-237 ° C) per a compostos de lantà, estronci, coure i oxigen (La - Sr - Cu - O) va ser el començament. Aleshores, es va descobrir per primera vegada la propietat dels compostos d’ittri, bari, coure i oxigen (Y - Ba - Cu - O) per mostrar propietats superconductores a una temperatura de 77,4 K (-195,6 ºC) per sobre del punt d’ebullició del nitrogen líquid.

El 2003 es va descobrir el compost ceràmic Hg-Ba-Ca-Cu-O (F), que té una temperatura crítica de 138 K (-135 ° C) i arriba a 166 K (-107 ° C) a una pressió de 400 grans; i el 2015, es va establir un nou rècord de sulfur d'hidrogen (H2S), que es va convertir en un superconductor a una pressió de 100 GPa, a una temperatura no superior a 203K (-70 ° C).

La superconductivitat com a fenomen físic, primer a nivell microscòpic, es va explicar en el treball dels físics nord-americans John Bardin, Leon Cooper i John Shriffer el 1957. La seva teoria es basava en el concepte dels anomenats parells d’electrons Cooper, i la mateixa teoria es va anomenar teoria BCS, segons les primeres lletres dels noms dels seus autors, i fins avui és dominant aquesta teoria macroscòpica dels superconductors.

Segons aquesta teoria, els estats d’electrons de les parelles de Cooper es correlacionen amb girs i moment oposats. Al mateix temps, la teoria utilitzava les anomenades transformacions de Nikolai Bogolyubov, que demostrava que la superconductivitat es pot considerar com un procés de superfluidesa d’un gas d’electrons.

A prop de la superfície de Fermi, els electrons es poden atreure eficaçment interactuant entre ells a través de fonons, i només aquests electrons són atrets la seva energia es diferencia de l’energia dels electrons a la superfície de Fermi en no més que hVd (aquí Vd és la freqüència de Debye), i la resta d’electrons no interaccionen.

Interacció d'electrons i combinació en parells de Cooper. Aquests parells posseeixen algunes propietats característiques dels bosons, i els bosons poden passar a un únic estat quàntic al refredar-se. Així, a causa d’aquesta característica, els parells es poden moure sense xocar amb la gelosia ni amb altres electrons, és a dir, els parells de Cooper es mouen sense pèrdua d’energia.

A la pràctica, els superconductors d’alta temperatura proporcionen transmissió d’energia sense pèrdues, cosa que fa que la seva introducció i ús en el futur siguin útils i eficients. Cables d’alimentació, transformadors, màquines elèctriques, emmagatzematge d’energia inductiva amb una vida útil il·limitada, limitadors de corrent, etc.

Es reduiran les dimensions, es reduiran les pèrdues, augmentarà l’eficiència de la producció, la transmissió i la distribució de l’energia elèctrica en general. Transformadors tindrà menys pes i pèrdues molt baixes, en comparació amb els transformadors amb bobinatges convencionals. Els transformadors superconductors seran respectuosos amb el medi ambient, no caldrà que es refrigeri i, en cas de sobrecàrrega, el corrent serà limitat.

Els limitadors de corrent superconductors són menys inercials. Amb la inclusió d’emmagatzematge d’energia i generadors superconductors a les xarxes elèctriques, la seva estabilitat augmentarà. L’alimentació elèctrica de les megacitats es realitzarà mitjançant cables subterranis capaços de conduir fins a cinc vegades més corrents i la posada d’aquests cables estalviarà significativament les zones urbanes, ja que els cables seran més compactes en comparació amb els que s’utilitzen avui en dia.

Els càlculs mostren que, per exemple, construir una línia d’alimentació per a 1 GW a una tensió de 154 kV, si s’utilitzen cables superconductors, costarà un 38% més barat que si s’hagués implementat mitjançant tecnologia estàndard. I això està tenint en compte el disseny i la instal·lació, perquè el nombre de fils necessaris és menor, respectivament, el nombre total de cables és menor, i el diàmetre interior dels conductes també és menor.

Cal destacar que es pot transmetre una potència important mitjançant un cable superconductor fins i tot a baixa tensió, reduint contaminació electromagnèticai això és cert per a les zones amb una densitat molt poblada, on la posada de línies d’alta tensió causa preocupació, tant per part dels ecologistes com del públic.

La introducció de superconductors a alta temperatura en el camp de l’energia alternativa també és prometedora, on la rendibilitat no és en cap cas un factor secundari i l’ús de superconductors augmentarà l’eficiència de noves fonts. A més, durant els propers 20 anys, hi ha una tendència constant al seu ràpid desenvolupament al món.