Cumpliendo con las Expectativas: Superconductores

Investigaciones de la NASA están desentrañando el asombroso potencial de los superconductores de alta temperatura.

Febrero 5, 2003:  Pocas tecnologías han disfrutado alguna vez de una celebridad similar a la de una estrella de rock, como la que los superconductores recibieron en la década de los años 1980.

Los titulares a lo largo del mundo anunciaron con bombos y platillos el descubrimiento de superconductores de “alta temperatura” (HTS, por sus siglas en inglés), y tanto los medios como los científicos por igual hablaban con entusiasmo acerca de las maravillas que podríamos esperar en un futuro cercano gracias a esta nueva y prometedora tecnología. Trenes levitantes de 500 kph, computadores ultra rápidos, y una electricidad más barata y más limpia serían apenas el comienzo de su larga e ilustre carrera.

Arriba:  El tren experimental "magneto-levitante" (maglev) MLX01 actualmente en etapa de pruebas en el Instituto de Investigaciones Técnicas en Vías (Railway Technical Research Institute) de Japón, utiliza superconductores de baja temperatura “modelo antiguo” que requieren helio líquido como refrigerante. Los superconductores de alta temperatura pueden utilizar nitrógeno líquido, el cual es más barato, más abundante, y más fácil de manejar. Imagen cortesía del RTRI.

Hoy podríamos preguntar, como los columnistas de chismes de Hollywood: ¿qué pasó con el barullo sobre los superconductores de “alta temperatura”?

Anótese aquí para recibir nuestro servicio de ENTREGA INMEDIATA DE NOTICIAS CIENTÍFICAS

"Fue la comidilla de su tiempo, pero todo se enfrió”, dice Louis Castellani, presidente de la compañía HTS (con base en Houston) Tecnologías Oxido Metálicas S.A. (MetOx).

El problema principal era aprender a hacer alambres con este material. Los superconductores están hechos de cerámica, la misma clase de material de que están hechas las tazas de café. La cerámica es dura y quebradiza. Encontrar la forma de hacer alambres largos y flexibles con ella iba a ser muy difícil.

De hecho, los primeros intentos fueron descorazonadores. El llamado alambre HTS de “primera generación” era relativamente costoso: de 5 a 10 veces el costo del alambre de cobre. Más aún, la cantidad de corriente que podía transportar estaba muy lejos de su potencial: apenas 2 o 3 veces la del cobre, contra un potencial más de 100 veces mayor.

Ahora, gracias a años de investigación que incluyen experimentos a bordo del Transbordador Espacial, esto está a punto de cambiar.

Izquierda: El alambre HTS de “segunda generación” puede transportar la misma cantidad de corriente que un alambre de cobre cientos de veces más grueso. Imagen cortesía de MetOx.

El Centro para Superconductividad y Materiales Avanzados de Texas (TcSAM) en la Universidad de Houston (patrocinado por la NASA) se ha unido con MetOx para producir “el golpe definitivo” que los científicos han estado buscando desde los ‘80: un alambre HTS de “segunda generación” que obtenga un aumento de capacidad 100 veces mayor que la del cobre y cuya producción cueste igual a la de este metal.

Los una vez famosos superconductores podrían estar a un paso de regresar a la celebridad.

El público espera

El talento "especial" de los superconductores es que tienen resistencia cero a la corriente eléctrica. Absolutamente ninguna. En teoría, un aro de alambre HTS podría transportar una corriente circulante para siempre, sin necesitar nunca una fuente de poder para mantenerla en movimiento.

En los conductores normales, tales como el alambre de cobre, los átomos del cobre impiden el libre flujo de los electrones, absorbiendo la energía de la corriente y desperdiciándola como calor.

Hoy en día, alrededor del 6 al 7% de la electricidad generada en los Estados Unidos se pierde a lo largo de su camino hacia los consumidores, debido en parte a la resistencia de las líneas de trasmisión, de acuerdo a documentos de la Agencia de Información de Energía de los EE.UU. Si se reemplazaran estas líneas con alambre superconductor la eficiencia de las instalaciones aumentaría, y esto significaría un gran avance en el camino hacia la reducción de las emisiones de gases de invernadero en el país.

La nueva industria del tren “maglev” daría también la bienvenida a la disponibilidad de un alambre HTS más barato y de mayor calidad. Las realidades económicas han frenado la adopción inicial de sistemas de tránsito maglev, pero el desarrollo maglev es todavía fuerte en Japón, en China, en Alemania y en los Estados Unidos.

Derecha: El sistema de barrido (escáner) MRI, una poderosa herramienta para el diagnóstico médico, utiliza electromagnetos superconductores para generar imágenes detalladas de los tejidos corporales. La mayoría de las máquinas MRI actuales requieren el costoso helio líquido para enfriar su alambre superconductor de baja temperatura.

La NASA está investigando el uso de superconductores en el espacio. Por ejemplo, los giróscopos que mantienen orientados a los satélites podrían utilizar cojinetes sin fricción hechos con imanes superconductores, mejorando la precisión de los satélites. Los motores eléctricos a bordo de las naves espaciales podrían, de igual manera, tener apenas un cuarto o un sexto del tamaño de los motores no superconductores, ahorrando un volumen y peso considerable en el diseño de las mismas.

Si alguna vez establecemos una base en la luna, los superconductores serían una elección natural para la generación y trasmisión ultra-eficiente de energía, ya que la temperatura ambiente llega a descender a los 100ºK (-173 ºC, -280ºF) durante la noche lunar, justo la temperatura correcta para la operación del HTS. Y durante un viaje de meses con destino a Marte, una máquina MRI “de mesa” hecha posible gracias al alambre HTS sería una poderosa herramienta de diagnóstico para ayudar a asegurar la salud de la tripulación.

A nivel mundial, el mercado actual para el alambre HTS se estima en 30.000 millones de dólares, de acuerdo a Castellani, y se espera que aumente rápidamente.

Un paseo detrás del escenario

La Universidad de Houston ha otorgado esta nueva tecnología para confección de alambre a MetOx, una compañía fundada en 1997. MetOx planea iniciar la producción a gran escala de este alambre HTS de alta calidad en 2003, dice Castellani.

No es ninguna sorpresa que el Dr. Alex Ignatiev, científico principal del grupo de la NASA en TcSAM, no pueda revelar exactamente el procedimiento para fabricar su alambre HTS. Las tecnologías que surjan de estas sociedades de investigación entre la NASA y la industria deben ser patentadas para alcanzar la meta de la NASA de utilizar el espacio para el beneficio de los negocios estadounidenses, dice Ignatiev.

Compartirá, sin embargo, el diagrama dibujado en una servilleta.

Básicamente, el alambre se forma haciendo crecer una fina película del superconductor, de solamente unos pocos micrones (milésimas de milímetro) de espesor, sobre una base flexible. Este bien conocido método de producción fue mejorado en parte gracias a los experimentos "Wake Shield" desarrollados en el Transbordador Espacial para aprender sobre el crecimiento de las películas delgadas en el vacío extremo del espacio.

Arriba: La Instalación Wake Shield sostenida en el espacio por el brazo robótico del Transbordador. Imagen cortesía de la NASA.

"Aprendimos cómo hacer crecer películas delgadas de óxido de alta calidad en los experimentos del Transbordador, y utilizamos esto en el laboratorio para mejorar la calidad de nuestras películas superconductoras,” dice Ignatiev.

En los próximos años, esa calidad se traducirá en mejoras en docenas de industrias, desde la generación de electricidad hasta el cuidado médico. Estén atentos a esto: la glamorosa carrera de los superconductores recién ha comenzado.