¿Qué es la superconductividad?
La superconductividad es una tecnología en constante desarrollo que está
destinada a jugar un importante papel en nuestras vidas hacia el siglo XXI.
Naturalmente el logro de mayores temperaturas críticas está ligado al
descubrimiento de nuevos materiales. Se prevé que el impacto que pueda causar
en la sociedad mundial será semejante, sino mayor, al que tuvo la utilización
del transistor.
Los gobiernos de los países industrializados tienen plena conciencia de la
relevancia de invertir importantes sumas de dinero en investigación en esta área,
dada la ventaja estratégica y competitiva que puede llegar a brindar el hecho
de estar a la vanguardia en la fabricación y utilización de la
superconductividad en las diferentes áreas en las que es factible su aplicación,
por lo que cada vez es más clara la competencia existente entre laboratorios,
empresas y países. Generalidades Concepto La superconductividad es una propiedad de algunos compuestos que no oponen
resistencia alguna al paso de corriente ya que los electrones se desplazan sin
colisiones y en zigzag a través de los cristales del átomo, es decir
materiales con resistencia nula con los cuales se puede ahorrar la energía que
se disipa en forma de calor en los otros conductores, debido a la colisión de
los electrones entre sí y con los átomos del material. Además de lo anterior
tienen otra característica muy importante que consiste en que expulsan de su
interior los campos magnéticos mientras estos no sobrepasen un valor límite.
Origen El descubrimiento de la superconductividad se remonta a 1908, año en el que
el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes llegó a enfriar el helio hasta el
punto de su licuefacción, a una temperatura próxima al cero absoluto. Esta
experiencia le permitió observar fenómenos desconocidos hasta entonces y casi
inconcebibles para los científicos de la época: por un lado, la superfluidez y
por el otro lado la superconductividad, que Onnes demostró por primera vez en
1911.
Para lograr estas bajas temperaturas es necesario poner las muestras en
contacto con helio líquido, elemento difícil de obtener y que requiere de
procesos complicados y costosos para mantenerlo en su fase líquida. Desde
entonces se inicio una búsqueda ininterrumpida para alcanzar aleaciones que
alcanzaran la fase superconductora a temperaturas más elevadas.
La curiosidad que Onnes sentía hacia el comportamiento de la materia a bajas
temperaturas lo condujo al descubrimiento de la superconductividad
experimentando con el mercurio, siendo posible porque había conseguido la
licuación del helio que permitió enfriar los materiales a temperaturas próximas
al cero absoluto (-273°C).
Puesto que el helio líquido es el mejor método que se conoce de refrigerar
a temperaturas extremadamente bajas, la superconductividad podría verse
obligada a esperar el desarrollo de nuevos materiales con temperaturas críticas
mas altas para poder ofrecer beneficios fuera del entorno de un laboratorio.
Algunos científicos que trabajaban con superconductores similares a los
empleados por Onnes, intentaron subir ligeramente la temperatura crítica
mezclando compuestos para formar aleaciones superconductoras. Hacia 1933 la
temperatura crítica fue duplicada a 10°K (aún muy baja).
El proceso fue lento y frustrante hasta 1941 cuando se encontraron aleaciones
de niobio que se volvían superconductoras a 15°K. No fue hasta 1969 cuando la
temperatura crítica volvió a duplicarse nuevamente, alcanzando los 20°K. Este
avance fue muy importante, puesto que el hidrógeno se licúa a 20°K. Por
primera vez podía utilizarse otro agente refrigerador.
Hacia 1971, los mejores superconductores eran aleaciones de niobio-aluminio y
niobio-germanio que alcanzaban esta fase. En 1972 se concedió el Premio Nóbel
de Física a J. Bardeen, L.N. Cooper y J.R. Schriffer por sus trabajos
realizados a finales de la década de los años cincuenta, que daban cuenta del
origen microscópico de la superconductividad.
En 1973, la temperatura crítica subió unos pocos grados más, a 23°K.
Durante aproximadamente una década, los científicos intentaron aumentar la
temperatura crítica. Experimentaron sin éxito con muchos compuestos y
aleaciones.
Finalmente en 1986 dos investigadores de IBM en Zurich anunciaron haber
conseguido subir la temperatura crítica a 30°K en un material completamente
nuevo. Los nuevos materiales superconductores que no son aleaciones metálicas
sino cerámicas hechas a base de óxido de cobre mezclados con bario o estroncio
y alguno de los elementos conocidos como tierras raras (lantano, itrio y
neodimio). Alex Müller y Georg Bednorz habían sintetizado un complejo material
cerámico (BaLaCuO) que presentaba superconductividad a 30°K. Este
extraordinario descubrimiento impulsó a muchos investigadores a trabajar con
materiales cerámicos similares. Unos meses después la temperatura crítica fue
aumentada a 39°K.
En febrero de 1987 Ching-Wu (Paul) Chu y su equipo de investigación de la
Universidad de Houston anunciaron haber desarrollado un superconductor con una
temperatura de 98°K (Mezcla de óxido de cobre, bario e itrio (YBaCuO). Este
descubrimiento causó un gran impacto en la comunidad científica mundial, pues
la barrera impuesta por la necesidad de utilizar helio líquido había sido
traspasada. El nitrógeno se licúa a 77°K, una temperatura bastante inferior a
la temperatura crítica alcanzada. El nitrógeno líquido es fácil de
transportar en termos aislados, es muy barato, abundante y fácil de enfriar a
diferencia del proceso con helio líquido es costoso.
En 1988 el óxido de cobre, calcio, bario y talio (TlBaCaCuO) alcanzó una
temperatura crítica de 125°K. Las investigaciones efectuadas en el laboratorio
de la Escuela Superior de Física y Química Industrial de París en mayo de
1993, trabajando con películas de óxido mixto de cobre, calcio, bario y
mercurio (HgBaCaCuO) lograron una temperatura crítica de 133°K. Este mismo
equipo logró en diciembre de 1993 una temperatura crítica de 250°K a partir
de un compuesto de bismuto, estroncio, calcio y óxido de cobre (BiSrCaCuO).
Los compuestos que han originado los sorprendentes adelantos en materia de
superconductividad son todos cupratos de la familia de las perovskitas de cobre,
es decir, cristales constituidos por el apilamiento, en todas las direcciones
del espacio, de octaedros que contienen en su centro un átomo metálico, el
cobre, con átomos de oxígeno en los vértices; los espacios entre los
octaedros están ocupados por otro átomo metálico.
Sin embargo, la carrera de la temperatura crítica aún no ha terminado. Los
científicos sueñan con superconductores a temperatura ambiente, que no
necesiten refrigerarse, la cual está en torno a los 293°K (20°C). Propiedades Los superconductores ofrecen cuatro grandes ventajas sobre los conductores
normales que podrían ser explotadas en muchas aplicaciones, ellas son:
Conducen la electricidad sin pérdida de energía, y por tanto, podrían
utilizarse en lugar de los conductores para ahorrar energía.
No tienen resistencia, y por consiguiente no generan calor cuando se hace
pasar corriente eléctrica por ellos. En un conductor ordinario, la pérdida de
energía debida a su resistencia se disipa en forma de calor. Este calor impone
un límite al número de componentes electrónicos que pueden ser empaquetados
juntos. Utilizando superconductores se podrían empaquetar herméticamente un
gran número de componentes electrónicos, sin preocuparse por la disipación de
calor.
Tienen capacidad para crear campos magnéticos intensos. Estos campos pueden
ser generados por imanes superconductores relativamente pequeños.
Pueden utilizarse para formar uniones Josephson, que son conmutadores
superconductores. Su funcionamiento es similar al de un transistor, pero la unión
Josephson es capaz de conmutar a una velocidad 100 veces superior. Conectando
dos uniones Josephson de una forma especial, pueden detectarse campos magnéticos
extremadamente débiles. Estos detectores tan sensibles de campos magnéticos
reciben el nombre de SQUID's (Super-conducting Quantum Interference Devices
Dispositivos superconductores de interferencia cuántica)
Las principales propiedades de los superconductores son las siguientes:
El efecto Meissner Si un superconductor se refrigera por debajo de su temperatura crítica en el
seno de un campo magnético, el campo rodea al superconductor, pero no penetra
en él. Este fenómeno se conoce con el nombre de Efecto Meissner y fue
descubierto en 1933. Sin embargo, si el campo magnético es demasiado intenso,
el superconductor vuelve a su estado normal incluso estando a una temperatura
inferior a su temperatura crítica.
Tomando como criterio la capacidad de un superconductor para repeler un campo
o flujo magnético, es posible clasificar los superconductores en dos tipos. Los
superconductores de tipo I son simples metales puros, tales como el plomo o el
estaño. Estos repelen el campo magnético hasta que alcanza una determinada
intensidad. Esta intensidad se denomina campo crítico, y es distinto para cada
superconductor. Una vez que el campo magnético ha alcanzado su valor crítico,
el superconductor vuelve a su estado normal perdiendo sus propiedades.
Los superconductores de tipo II se comportan de una forma ligeramente
distinta. Estos superconductores son materiales más complejos, a menudo
aleaciones de metales de transición (los metales de transición son un grupo de
elementos del Sistema Periódico). En un superconductor tipo II, existe un
segundo campo crítico más intenso que el primero. Una vez que el campo magnético
ha alcanzado su primer valor crítico, el superconductor ya no repele
completamente el campo, pero sigue conduciendo sin ofrecer resistencia. Cuando
el campo alcanza un segundo valor crítico, el material presenta resistencia eléctrica.
La mayoría de los superconductores de interés actual son de tipo II.
La densidad de corriente Aplicar un campo magnético intenso no es la única manera de destruir la
superconductividad, una vez que el material ha sido refrigerado por debajo de su
temperatura crítica. El paso de una corriente intensa a través de un
superconductor también puede hacer que éste pierda sus propiedades. La
cantidad de corriente que un superconductor puede soportar manteniendo nula su
resistencia se denomina densidad de corriente, la cual se mide en amperios por
unidad de área. Un valor típico de la densidad de corriente en un hilo
superconductor es de 100.000 amperios por centímetro cuadrado. Si pasara una
corriente más densa por el hilo, éste ofrecería resistencia.
La mayor parte de los conductores normales, como el cobre, son isótropos, es
decir, conducen la corriente con igual facilidad en todas las direcciones. Con
un hilo conductor ó superconductor que se isótropo no importa cuál de los
extremos del hilo se conecta al terminal positivo de la fuente eléctrica y cuál
al negativo. Sin embargo, muchos de los superconductores de alta temperatura son
anisótropos, es decir, conducen mejor en unas direcciones que en otras. Algunos
de estos materiales son capaces de conducir la corriente en una dirección a una
velocidad 30 veces superior que en otra.
El efecto Josephson Otra propiedad interesante de los superconductores es el efecto Josephson,
que está basado en otro fenómeno que recibe el nombre de efecto túnel. En una
unión formada por una delgada barrera de óxido colocada entre dos
superconductores, se puede producir efecto túnel. Las caras externas de los dos
superconductores se unen entre sí y se mide la corriente que pasa a través de
la unión. Cuando la unión se expone a campos magnéticos o radiación, el
flujo de corriente debido a que algunos electrones atraviesan la barrera de óxido
(efecto túnel). Este efecto puede emplearse en circuitos de computadores, y
para detectar campos magnéticos muy débiles. Estudios muy recientes han
demostrado que el efecto Josephson puede producirse a temperaturas muy
superiores a las temperaturas críticas del material superconductor.
Todas estas propiedades de los superconductores abren muchas puertas al
desarrollo tecnológico, pues muchos dispositivos actuales pueden ser mejorados
en eficiencia, sensibilidad y rapidez. De otra parte, aplicaciones antes
irrealizables son ahora factibles gracias a la superconductividad. Teorías que explican la superconductividad
Desde el descubrimiento de la superconductividad los científicos han
intentado explicar el funcionamiento de los superconductores, pues la elaboración
de una teoría que desvele los misterios de la superconductividad podría
permitirles desarrollar nuevos y mejores superconductores y aprender más acerca
de su comportamiento.
Aún no existe una explicación ampliamente aceptada de por qué se produce
superconductividad a alta temperatura. Para las antiguas generaciones de
superconductores con temperaturas críticas próximas al Cero Absoluto, basta la
teoría BCS. Sin embargo, es preciso encontrar una nueva teoría para los nuevos
materiales que tenga en cuenta su importante actividad atómica. Es dudoso que
se acepte a corto plazo una teoría completa de la superconductividad, puesto
que existen superconductores con temperaturas críticas aún más altas que están
en fase de experimentación. Sin embargo existen las siguientes:
Teoría BCS En 1957 tres investigadores, John Bardeen, Leon Cooper y J.R. Schrieffer,
publicaron una teoría que intentaba explicar como funcionan los
superconductores. Esta teoría recibió el nombre de teoría BCS, y los tres
investigadores fueron galardonados por su trabajo.
No se debe olvidar que en 1957 aun no existían los superconductores de alta
temperatura que hoy se están desarrollando. La teoría BCS intenta explicar la
superconductividad a temperaturas próximas al Cero Absoluto. Cuando los
materiales se refrigeran a estas temperaturas, el movimiento de sus átomos se
reduce dramáticamente.
La teoría BCS afirma que los electrones que fluyen a través de un
superconductor se agrupan en pares debido a los fonones (Partículas asociadas a
las vibraciones de la red cristalina), que crean una especie de pegamento subatómico.
El par de electrones deja una estela al moverse a través de la red cristalina.
Esta estela es aprovechada por los pares siguientes como camino a través de la
red cristalina, evitando colisiones con otras partículas, lo que obstaculizaría
el flujo y generaría resistencia eléctrica (como ocurre con los conductores
normales).
La teoría BCS supone que la actividad molecular de los átomos en la
estructura cristalina del superconductor es muy reducida, cuando explica como
los electrones pueden fluir a través de la red sin interferir con otras partículas.
Esta teoría también explica por que el superconductor pierde su capacidad de
conducir sin resistencia cuando se encuentra a una temperatura superior a su
temperatura critica. Según la teoría BCS, a medida que sube la temperatura del
material superconductor, aumentan las vibraciones de los átomos, que se
traducen en vibraciones cada vez mayores de toda la red cristalina. Esta vibración
excesiva provoca la ruptura del par de electrones, interrumpiéndose la estela
del fonón, y causando la perdida de la superconductividad.
La magnitud de las vibraciones de la red esta relacionada directamente con la
temperatura. El Cero Absoluto es el punto al cual desaparecen todas las
vibraciones. Por tanto, es imposible alcanzar una temperatura mas baja, y de ahí
el nombre de "Cero Absoluto". A medida que sube la temperatura por
encima del Cero Absoluto, la magnitud de las vibraciones aumenta sistemáticamente.
La temperatura que tiene un material es justamente una medida del movimiento de
sus átomos.
El punto de fusión de un material (como por ejemplo el hilo) es simplemente
la temperatura de transición a la cual las vibraciones son tan fuertes, que las
fuerzas de cohesión de la estructura cristalina no son lo suficientemente
grandes para mantener los átomos en las posiciones que ocupan en la red,
quedando estos libres para desplazarse.
Como resultado, un sólido rígido (hielo en el caso del agua) se convierte
en un liquido. Si la temperatura sigue subiendo, se alcanza otra temperatura de
transición en la que el movimiento atómico es tan grande que las fuerzas de
atracción existentes en el liquido no pueden mantener a los átomos juntos. En
ese momento el material se convierte en un gas.
Debido a que los nuevos superconductores tienen temperaturas criticas
bastante superiores al Cero Absoluto, parece ser que la teoría BCS no explica
por que se produce superconductividad en estos nuevos materiales. Las
temperaturas criticas son demasiado altas para poder suponer vibraciones
reducidas, como ocurre en los antiguos superconductores. Aun así, la mayor
parte de los teóricos creen que los electrones en los superconductores de alta
temperatura fluyen emparejados. Teoría fundamentada en el excitón Debido a que resulta bastante difícil encontrar una razón que explique el
emparejamiento de los electrones en los nuevos superconductores de alta
temperatura, las teorías actuales atribuyen el emparejamiento de los electrones
a un mecanismo mucho mas poderoso que el fonón de la teoría BCS. Dicho
mecanismo es el excitón. El excitón, de "electronic excitation", es
un mecanismo de interacción mas fuerte que los fonones y puede continuar
operando a temperaturas mas altas.
Cuando los nuevos superconductores de alta temperatura son enfriados a su
temperatura critica, las vibraciones de la estructura cristalina se sincronizan
de tal manera que los electrones son guiados a través de la red. Teoría fundamentada en los plasmones Atribuye el emparejamiento de electrones a altas temperaturas al mecanismo
derivado de movimientos colectivos de electrones (plasmones). Teoría fundamentada en los magnones Atribuye a los magnones, fluctuaciones de spin, que se propagan a través de
la red y que crean una especie de camino que los electrones pueden seguir sin
sufrir obstáculos. Teoría RVB Utiliza el concepto de enlace de valencia resonante y se basa en la repulsión
electrón-electrón: a causa de que los electrones tienen la misma carga se
repelen entre sí, haciendo que se prepare ellos mismos su propio camino a través
de la red. Estado del arte Fabricación y
formas de los superconductores actuales El desarrollo de los superconductores de alta temperatura es tan reciente,
que aún no han sido adaptados satisfactoriamente a la industria. Por ello la
inmensa mayoría de las aplicaciones comerciales actuales están basadas en los
antiguos superconductores.
Actualmente la mayor parte de las aplicaciones de los superconductores a la
industria utilizan su capacidad de conducir corriente sin resistencia. Para que
un superconductor sea práctico debe ser resistente, de gran fiabilidad y fácilmente
maleable. Existen dos grandes tipos de superconductores comerciales: las
aleaciones dúctiles y los compuestos intermetálicos.
Las aleaciones dúctiles comparten con los conductores la ventaja de que son
fáciles de darles la forma de hilos y cables, y de que son relativamente
maleables. Los compuestos intermetálicos con mucho más rígidos y aunque se
les puede dar formas en el proceso de fabricación, no son flexibles. Las
aleaciones dúctiles superconductoras son compuestos de niobio y titanio. Los
compuestos intermetálicos se sintetizan con vanadio y galio.
Los superconductores comerciales se suelen fabricar en forma de hilos, de
manera que se puedan hacer bovinados para construir generadores, motores y
electroimanes. Estos materiales tienen temperaturas críticas del orden de 10°K.
Pueden generar campos magnéticos muy potentes y tienen densidades de corriente
próximas a los 2.000 amperios por milímetro cuadrado. Estos compuestos
comerciales de niobio-titanio o vanadio-galio cubren la mayor parte de las
aplicaciones actuales de la superconductividad.
Laboratorios y equipos de investigación de universidades de todo el mundo
han orientado sus esfuerzos al estudio de compuestos cerámicos de perovskitas.
La fabricación de estos materiales superconductores cerámicos es relativamente
fácil, pueden sintetizarse en cualquier laboratorio modestamente equipado. El
primer paso en el proceso es mezclar y calentar los ingredientes. Se combinan óxidos
de los metales itrio (Y), bario (Ba) y cobre (Cu) con ácido cítrico y etilen-glicol.
La mezcla se calienta inicialmente a unos 38° Celsius. Posteriormente, la
mezcla ya caliente se mete en un horno, donde se cuece a unos 800°C, con lo que
se vaporizan los componentes líquidos, cristalizando el material restante en
forma de polvos negros. El polvo es comprimido en un horno especial que genera
aproximadamente 150 Kg. por cm.2 de presión. El bloque resultante se enfría
gradualmente durante varias horas. Una vez enfriado, el material se sumerge en
un baño de nitrógeno líquido para probar la superconductividad. Se conecta un
medidor de resistencia al material refrigerado para medir su resistencia eléctrica.
Si el medidor no registra resistencia, probablemente se habrá conseguido
superconductividad. Si además el material presenta efecto Meissner, entonces es
un auténtico superconductor.
Después de haber desarrollado y probado los nuevos materiales, los
laboratorios están intentando darles formas útiles. Un bloque amorfo de
superconductor no tiene interés práctico. Para poder diseñar dispositivos útiles,
es necesario fabricar el material en hilos, cintas y otras formas.
Usos actuales de la superconductividad La ciencia y la medicina se han beneficiado ya de las ventajas aportadas por
la superconductividad para generar campos magnéticos intensos y detectar señales
magnéticas débiles.
Los físicos llevan mucho tiempo utilizando electroimanes superconductores
para generar campos magnéticos de alta intensidad. Estos potentes electroimanes
superconductores se han empleado como parte de un colisionador para acelerar
partículas atómicas a velocidades extremas, para después hacerlas colisionar.
El estudio de los efectos producidos proporciona a los científicos valiosos
datos sobre la naturaleza de las partículas implicadas en la colisión. Un
superacelerador conocido como SSC (Supercolisionador Superconductor) será 20
veces más potente que el Tevatrón. Tendrá forma de anillo y será de una
longitud de 85 Km. Este superacelerador está siendo construido en los U.S.A.
En el laboratorio se utilizan los aisladores magnéticos que sirven para
aislar un mineral u otra sustancia determinada basándose en su densidad y
propiedades magnéticas. Los materiales a aislar se mezclan en un fluido magnético.
La mezcla se vierte en un dispositivo tubular rotatorio, rodeado por una bobina
superconductora que genera un potente campo magnético. Este campo empuja hacia
el exterior del fluido, causando que las partículas más densas se muevan hacia
el tubo.
Los SQUID`s (dispositivo superconductor de interferencia cuántica) se
utilizan mucho en prospecciones. Con ellos se pueden medir las propiedades de
las ondas electromagnéticas reflejadas al incidir en la superficie de la
Tierra. Gracias a su alta sensibilidad en la detección de campos magnéticos
son también utilizados por los médicos para hacer magnetoencefalogramas.
En medicina la superconductividad es útil para la construcción de equipos
de generación de imágenes. Las máquinas NMR (Resonancia Magnética Nuclear) y
MRI (Imágenes por Resonancia Magnética) son capaces de generar imágenes
detalladas del interior de organismos. Una máquina MRI puede generar, por
ejemplo, una imagen del corazón de un paciente sin tener que hacer disecciones
en la piel o introducir sondas en la sangre. La misma técnica puede aplicarse
igualmente a otros órganos. Las máquinas MRI funcionan colocando al paciente
en un potente campo magnético generado por un electroimán superconductor.
Los productos disponibles hoy a partir del uso de materiales superconductores
son dispositivos o componentes muy especializados: censores de campo magnético
para fines didácticos y varillas de nivel para el nitrógeno líquido. No se
puede decir que estos aparatos exciten la imaginación o revolucionen la
sociedad; pero son hitos tangibles en el camino hacia el éxito comercial de los
nuevos superconductores.
Ya se están efectuando demostraciones de componentes de uso en
comunicaciones por ondas micrométricas y rastreo militar y todo está a punto
para que empiece su producción. Los cables se van haciendo más largos, cada
vez pueden transportar más corriente y se han construido ya con ellos
dispositivos que prueban la viabilidad técnica de las aplicaciones de potencia.
Los científicos de Argonne National Laboratory en Argonne Illinois, fueron
los primeros investigadores americanos en dar a los nuevos superconductores la
forma de un hilo, el cual tiene un diámetro aproximado de 0.2 mm. Al hace el
hilo tan fino se consigue que los rígidos materiales cerámicos presenten algo
de flexibilidad.
Unos investigadores de IBM han ideado un vaporizador de superconductores con
el cual pueden cubrir (pintar) superficies complejas y de gran tamaño. Esta técnica
aumenta la perspectiva de hacer útil, fácil y económicamente, confinamiento
magnético, cableado de computadores y otras aplicaciones. Mediante una técnica
industrial llamada vaporización de plasma, el superconductor puede se rápidamente
calentado a miles de grados Celsius y depositado en una superficie cualquiera,
en la que posteriormente se resolidifica. Después de la formación de la capa
la superficie es recocida, obteniéndose un recubrimiento que se hace
superconductor al refrigerarse. Principales empresas y laboratorios que
trabajan en superconductividad
En los Estados Unidos:
Argonne National Laboratory - Argonne, Illinois.
AT&T Bell Laboratories - Short Hills, New Jersey.
American Superconductor Corporation - Boston, MA.
Blomagnetic Technologies - San Diego, California.
Conductis - Palo Alto, California.
GA Technologies - San Diego, California.
General Dynamics - San Diego, California.
General Electric Medical Systems Group - Milwaukee, WI.
General Electric Research and Development Center - Schenectady, New York.
HYPRES Inc. - Elmsford, New York.
IBM Research Division - Yorktown Heights, New York.
Intermagnetics General Corporation - Guilderland, New York.
Monolithics Superconductors Inc. - Beaverton, Oregon.
Supercon Inc. - Shrewsbury, MA.
Superconductor Technology Inc. - Santa Bárbara, California.
TRW - Redondo Beach, California.
Westinghouse - Pittsburgh, PA.
En el Japón:
Fujitsu.
Hitachi.
Mitsubishi Electric.
Nippon Telegraph and Telephone.
Toshiba
En Inglaterra:
Oxford Instruments Group.
En Alemania:
Siemens. Panorama internacional actual
La competición entre países está estimulada por las ventajas económicas
que promete la industria de superconductores de alta temperatura y se plantea en
especial una fuerte rivalidad entre Estados Unidos y Japón por la supremacía
en el desarrollo de este campo.
Japón tiene un extenso plan de investigación y desarrollo para la explotación
de la tecnología de superconductores, gracias al esfuerzo del gobierno, la
industria e investigadores universitarios. Las medidas tomadas se asemejan a las
tomadas en electrónica de circuitos integrados y que los llevó a ocupar el
primer lugar a nivel mundial.
Entre los proyectos se pueden mencionar los de magnetohidrodinámica y trenes
MagLev (trenes de levitación magnética). Diferentes empresas están
desarrollando computadores basados en uniones Josephson, mientras otras fabrican
hilos y cables superconductores.
En Estados Unidos se encuentran también empresas que llevan algún tiempo
desarrollando hilos, cables, dispositivos y electroimanes superconductores, además
de múltiples estudios de nuevas aplicaciones en el área de la electrónica.
Como en el caso de los semiconductores, ahora, los superconductores pueden
convertirse en un factor discordante entre Estados Unidos y Japón que son los
países que llevan la delantera en esta tecnología, por lo que algunos científicos
plantean la necesidad de tratarla como un bien para toda la humanidad y teniendo
en cuenta que el mundo económico se encuentra estrechamente interconectado
buscar la resolución de las dificultades que se plantean de manera conjunta.
Algunos científicos y legisladores estadounidenses piensan que los adelantos
conseguidos en superconductividad se pueden perder en beneficio de los japoneses
y ven en los superconductores una oportunidad de recuperar el terreno perdido en
la industria de circuitos integrados, por lo que intentan desarrollar
estrategias que les permita competir con mas eficiencia, para conseguir la
supremacía tecnológica del próximo siglo. El plan para fomentar el desarrollo
de aplicaciones de la superconductividad incluye los siguientes puntos:
Aumentar los presupuestos para investigación del departamento de Defensa.
Ofrecer subvenciones para aplicaciones comerciales.
Suavizar las leyes anticréditos para facilitar los acuerdos de investigación.
Establecer leyes de patentes estrictas.
Retrasar la publicación de información científica de interés.
En segundo lugar a nivel mundial en esta área se encuentra la Comunidad
Europea, en cuyos países (Inglaterra, Francia y Alemania en especial) también
se invierte cifras significativas en investigación. Sin embargo, presentan
cierto rezago con respecto a Japón y Estados Unidos. Actualmente se calcula que
el mercado mundial de superconductores esta alrededor de los US$ 2.000 millones.
Los países antes citados no son los únicos interesados en la investigación
de superconductores. El National Physics Laboratory de Nueva Delhi ha
sintetizado un material parcialmente superconductor a 299°K, temperatura
ambiente. En Pekín se han conseguido algunos avances de interés. Tokyo ha sido
el origen de muchos descubrimientos importantes en superconductividad. Prospectiva
tecnológica
La superconductividad es una tecnología que está cambiando constantemente
con la posibilidad de nuevos avances y descubrimientos. Los ingenieros intentan
orientar la tecnología actual de superconductores hacia aplicaciones útiles y
las empresas buscan los beneficios comerciales que de éstas se pudieran
obtener. Considerándola como una ciencia destinada a jugar un papel importante
en la alta tecnología del siglo XXI. Cada vez se acentúa más la competición
de los gobiernos de los países más industrializados, toman medidas para no
quedarse atrás en el rápido crecimiento de está tecnología.
Para el año 2005 se espera haber logrado materiales superconductores cuya
temperatura crítica haya alcanzado la temperatura ambiente, lo que ampliaría
la cobertura práctica de su aplicación en dispositivos comerciales y que con
el advenimiento de nuevos materiales el mercado actual de superconductores
tenderá a aumentarse significativamente a tal punto que los cálculos más
optimistas hablan de aproximadamente US$ 35.000 millones.
Aplicaciones futuras En sistemas de potencia Los sistemas eléctricos de potencia podrían ser grandes beneficiarios de la
superconductividad. Los sistemas de potencia abarcan todos los sistemas
utilizados para producir y distribuir electricidad. Desde los generadores en las
centrales eléctricas hasta los consumidores individuales, pasando por la red de
distribución, los materiales superconductores podrían ahorrar mucha energía y
dinero frente a los sistemas convencionales. Unos generadores que tuvieran
bobinados de hilos superconductores en lugar de hilos convencionales de cobre
podrían generar la misma cantidad de electricidad con menor trabajo y
equipamiento más pequeño. Una vez generada la electricidad, podría
distribuirse a través de una red de líneas de alta tensión superconductoras.
Los sistemas actuales de distribución gastan hasta el 20% de la energía que
reciben a causa de su resistencia.
La energía que llega al consumidor podría ser utilizada más eficientemente
si los electrodomésticos tuvieran motores con bobinados superconductores y
circuitos electrónicos con materiales del mismo tipo.
No existen en la actualidad muchas formas de almacenar grandes cantidades de
energía. Las baterías no son adecuadas en muchos casos, debido a su costo,
tamaño, volatilidad y gastos de mantenimiento. El sistema SMES (almacenamiento
de energía magnética por superconducción) podría llegar algún día a
proporcionar una forma práctica y eficiente de almacenar grandes cantidades de
electricidad. Unos anillos superconductores gigantes, que se podrían situar
bajo tierra, serían capaces de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica
en prolongados períodos de tiempo. En electrónica De todas las áreas que recibirán el impacto de la superconductividad, la
electrónica será probablemente la primera. La superconductividad permite el
diseño y elaboración de una nueva familia de circuitos integrados con
impresionantes prestaciones. El calor es un enemigo de los circuitos integrados,
éstos fallan inmediatamente cuando operan a temperaturas que exceden sus
especificaciones de diseño. Esta es la razón por la cual muchos aparatos que
tienen circuitos de este tipo disponen de ventiladores (como por ejemplo el
ordenador personal). El calor es generado por el flujo de corriente eléctrica.
Los diseñadores de dispositivos electrónicos ponen mucho cuidado en sintetizar
y espaciar los circuitos de forma que el calor generado pueda disiparse sin
degradar el funcionamiento del dispositivo.
Empleando superconductores en los diseños, no habría disipación de calor.
Así, los circuitos podrían conectarse más próximos entre sí, lo que además
reduciría el tiempo que necesitan las señales eléctricas para ir de un punto
del circuito a otro. Esto permitiría construir dispositivos más rápidos y
complejos que ocupasen además menos volumen.
Otra aplicación de la superconductividad que ha causado gran impacto en la
electrónica es la unión Josephson, la cuales podrían sustituir con éxito al
transistor como unidad de conmutación en computadores de alta velocidad.
Con uniones Josephson, podría construirse un computador mucho más potente
que cualquiera de los supercomputadores que existen en la actualidad y con un
volumen mucho menor. En ciencia y medicina
Un uso de los electroimanes superconductores en el laboratorio sería para la
construcción de "botellas magnéticas" capaces de contener una reacción
de fusión. En una reacción de fusión se combinan átomos entre sí, liberándose
energía (el mismo método que emplean las estrellas). Los reactores de fisión
nuclear utilizados en la actualidad descomponen los átomos para generar energía,
dejando residuos radiactivos. Los reactores de fusión no son residuales, sin
embargo, las reacciones de fusión son tan violentas y desprenden tanto calor
que aún no se conoce ningún material capaz de contenerla. Los físicos confían
en que los futuros imanes superconductores podrán generar campos magnéticos
capaces de confinar estas reacciones.
En medicina la superconductividad sería útil para el mejoramiento en la
construcción de equipos de generación de imágenes a partir de resonancia magnética. En transporte
La superconductividad puede afectar a los medios de transporte de muchas
formas. Se podrían emplear compactos electroimanes superconductores para hacer
levitar a los trenes por encima de sus raíces. Estos trenes MagLev (levitados
magnéticamente) podrían flotar en un campo magnético mientras son impulsados
a velocidades dos veces superiores a las de cualquier tren existente en la
actualidad. Eficientes motores superconductores podrían crear una nueva gama de
vehículos, barcos y submarinos eléctricos. En defensa
Los militares orientan sus investigaciones hacia distintos aspectos de la
superconductividad. Lanzaderas de mísiles con guías superconductoras podrían
sustituir a los proyectiles explosivos, y motores superconductores permitirían
a los submarinos operar mucho más silenciosamente, haciendo mas difícil su
detección. También podrían mejorarse las prestaciones de todo tipo de
detectores, haciéndolos más sensibles en rangos de operación más amplios. Líneas de Investigación
Esfuerzos por subir la temperatura crítica de los diferentes materiales.
Algunos laboratorios que han anunciado superconductores a temperatura
ambiente en zonas muy localizadas de los materiales intentan aislar y
caracterizar las zonas superconductoras de estos con la intención de crear un
material uniforme.
Se intenta aumentar la densidad de corriente con la intención de emplearlos
en aplicaciones de alta potencia.
Se esta investigando para superar las limitaciones que presentan los actuales
superconductores de alta temperatura por sus propiedades mecánicas, ya que se
trata de compuestos cerámicos bastante duros lo que dificulta su manufacturado
de maneras útiles, como hilos, cintas, y películas delgadas.
El gobierno de Estados Unidos esta subvencionando distintos proyectos de
investigación en nuevas aplicaciones practicas de los superconductores.
En Estados Unidos el departamento de Nuevas Ciencias y Tecnologías investiga
para usar la superconductividad para mejorar los censores infrarrojos especiales
de detección de mísiles. También está interesado en un sistema de
almacenamiento de energía en grandes cantidades para los sistemas de láseres
terrestres de gran potencia.
El departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) trabaja en el
desarrollo de hilos superconductores, ya tiene una base de datos especializada
para el uso de los científicos estadounidenses. Autor: Mario J. Crespo |
