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Superconductividad

Un poco de historia...

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Autorretrato de Kamerlingh Onnes. AIP Emilio Segre Visual Archives

H. Kamerlingh Onnes, tras licuar helio por primera vez en 1908, dedicó su laboratorio de la Universidad de Leiden (Holanda) a la medida de las propiedades de la materia desde -271 °C a -259 °C. La medida de la resistencia eléctrica era una de las propiedades que más le interesaban y en 1911 observó que la del mercurio desaparecía por debajo de una cierta temperatura crítica. Al poco tiempo tras verificar el fenómeno en Pb y Tl fue consciente de que se trataba de un nuevo comportamiento de la materia que aparecía a bajas temperaturas, acababa de descubrir la superconductividad. Por su labor en la investigación a bajas temperaturas obtuvo el Premio Nobel de Física de 1913.

En 1957, J. Bardeen, L. Cooper y R. Schrieffer enunciaron su teoría, conocida como BSC, que por primera vez explicó casi todas las propiedades de los materiales superconductores y mereció el Premio Nobel de Física 1972. La teoría BCS postula que, en el estado superconductor, hay una interacción atractiva entre electrones a través de las deformaciones de la red metálica que los acoplan formando parejas (pares de Cooper). Estas parejas son capaces de transportar corriente sin que aparezca resistencia eléctrica.

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En 1986, J.C. Bednorz y K.A. Müller, en los laboratorios IBM de Suiza, descubrieron superconductividad en materiales cerámicos y a temperaturas superiores al límite. Este resultado les valió el Premio Nobel de Física 1987 e inició una revolución en el campo ya que rápidamente se encontraron materiales capaces de trabajar a temperaturas superiores a la de ebullición del nitrógeno líquido (-196 °C), que permite enfriarlos con mucha más facilidad y economía. Estas familias de materiales, que reciben el nombre de superconductores de alta temperatura, SAT, han logrado incrementar el interés tecnológico para desarrollar nuevas aplicaciones.

Pero...¿qué es la superconductividad?

RESISTENCIA CERO

Al circular una corriente eléctrica por un hilo conductor se calienta, como demuestra el cambio de color en las resistencias de las estufas o de los filamentos de las bombillas. Este fenómeno llamado efecto Joule, se debe a la resistencia eléctrica y se produce porque los electrones cuando se mueven chocan con los átomos del material. En un superconductor, los electrones forman pares de Cooper que, se desplazan a través del material, sincronizándose entre sí y con las oscilaciones de los átomos, lo que les permite transportar la corriente eléctrica sin que aparezca resistencia.

EFECTO MEISSNER

Un superconductor no solo es capaz de transportar corrientes eléctricas sin resistencia, sino que también puede apantallar campos magnéticos, fenómeno que se conoce como efecto Meissner. Todos los superconductores pueden apantallar completamente el campo magnético, hasta un cierto valor llamado campo crítico (BC). Algunos pasan al estado normal con valores muy bajos del campo, son los superconductores tipo I. En otros, llamados del tipo II, el campo magnético, a partir de un cierto campo crítico inferior (BC1), penetra en su interior a través de delgados tubos en estado normal que contienen un flujo magnético cuantificado mientras que el resto sigue siendo superconductor y se mantiene como tal hasta alcanzar un campo crítico superior (BC2), que puede ser millones de veces superior al campo magnético terrestre.

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Aplicaciones de los superconductores

Los materiales superconductores se encuentran en la base de muchas aplicaciones de nuestra sociedad. Entre ellas podemos citar:

Generar y conducir corrientes eléctricas con pérdidas de energía muy bajas

Los cables superconductores pueden transportar corriente continua sin pérdidas. Trabajando con corriente alterna siempre hay pérdidas de energía pero son órdenes de magnitud más bajas que en el caso de los conductores convencionales de cobre o aluminio.

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Cable superconductor fabricado por Sumitomo. Cortesía de SuperPower, Inc.

En diferentes lugares se han empezado a instalar cables superconductores en la red eléctrica. Con ellos es posible transportar la misma potencia con menores secciones y costes energéticos lo que beneficia al medio-ambiente.

Con cables superconductores se están diseñando motores, generadores y transformadores que son mucho más pequeños y ligeros. Ello ha abierto, por ejemplo, la posibilidad de diseñar motores de propulsión para barcos o su uso en aerogeneradores.

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Conexiones de un cable superconductor instalado en Long Island. Cortesía de American Superconductors

La producción de grandes campos magnéticos

El hecho de que por hilos superconductores de menos de 1 mm de diámetro puedan circular cientos de Amperios sin pérdidas, los hace ideales para construir y operar bobinas para generar campos magnéticos muy intensos (superiores a 2 Teslas). Esta característica es la que permite su utilización en los equipos de resonancia magnética nuclear instalados en los hospitales o los granes imanes empleados en aceleradores de partículas como el LHC del CERN.

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Anillo del Large Hadron Collider del CERN. Cortesía del CERN

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Resonancia de la cabeza de una persona

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Sistema de resonancia magnética nuclear fabricado por Philips

Nuevos sistemas de transporte

Los altos campos magnéticos que se pueden generar con superconductores han permitido construir trenes que levitan y que alcanzan velocidades de hasta 580 km/h puesto que desaparece el rozamiento con la vía. Se ha previsto que la primera línea comercial entre en servicio en 2025 entre Tokyo y Osaka.

En otros casos, se está utilizando la capacidad de levitar un superconductor sobre un imán para construir vehículos que se desplazan levitando sobre un circuito de imanes permanentes.

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Vehículo basado en la levitación de superconductores. Cortesía de Evico GmbH/IFW Dresden

Diseño de nuevos dispositivos electrónicos

Los materiales superconductores también se utilizan en diferentes dispositivos electrónicos de altas prestaciones. Los más comunes son los llamados SQUID, que permiten detectar campos magnéticos muy pequeños y se utilizan en instrumentos científicos de precisión para la medida de diversas magnitudes físicas.

Son capaces de detectar los campos magnéticos inducidos por las transmisiones entre grupos de neuronas del cerebro y se han comenzado a utilizar para obtener magneto-encefalogramas.

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Circuito electrónico mostrando un SQUID

¿Qué hacemos en el ICMA?

Fabricación y caracterización de superconductores para aplicaciones eléctricas

En el ICMA se trabaja en el desarrollo de materiales superconductores para aplicaciones eléctricas y en la compresión de sus propiedades. Se fabrica el material, se estudian sus propiedades eléctricas, magnéticas y térmicas y se realizan simulaciones numéricas para predecir su comportamiento.

Se utilizan técnicas de fusión zonal inducida con láser para fabricar barras y recubrimientos de materiales superconductores de alta temperatura. Con esta tecnología se han fabricado barras de 1mm de diámetro con las que es posible transportar más de un centenar de amperios en nitrógeno líquido.

También se han fabricado hilos con la técnica de polvo en tubo que consiste en rellenar un tubo metálico con polvo superconductor y trefilarlo y laminarlo manteniendo un alma superconductora en su interior.

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Cortes con láser sobre un superconductor texturado para formar meandros para un limitador resistivo de corriente

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Prototipo de barra de alimentación de 600 A desarrollada en el ICMA

Bobinas superconductoras

El ICMA colaboró en el diseño, fabricación y puesta en funcionamiento de la primera bobina superconductora solenoidal fabricada en España.

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Cortes con láser sobre un superconductor texturado para formar meandros para un limitador resistivo de corriente

Utilización de superconductores en metrología

El ICMA ha desarrollado un patrón de voltaje basado en el efecto Josephson, un efecto que aparece en uniones débiles entre dos superconductores, y que mejora 1000 veces la precisión de los patrones anteriores. Posteriormente se ha realizado un patrón de resistencia basado en el efecto Hall cuántico que utilizaba una bobina superconductora y un comparador criogénico de corriente basado en detectores SQUID.

Sensores superconductores

En la actualidad se está trabajando en el desarrollo de nuevos detectores de rayos X basados en superconductores. Una de sus posibles aplicaciones serán los nuevos telescopios de rayos X que la Agencia Espacial Europea piensa poner en órbita en el futuro.

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Más información:

Centenario de la superconductividad

A lo largo del año 2011 y la primera mitad el 2012, y en el marco de un proyecto financiado por la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT), la Obra Social de Ibercaja, Quantum Design y el propio ICMA, se han organizado una serie de actividades para conmemorar el Centenario de la Superconductividad y para las que se han elaborado una serie de materiales que están a disposición de todas las personas interesadas en este tema.

Folleto Divulgativo

Exposición: Centenario de la Superconductividad: El mundo cuántico a escala kilométrica

Esta exposición consta de 10 paneles en los que se repasan las propiedades de los materiales superconductores, sus principales aplicaciones y algunas de las líneas de investigación desarrolladas en el ICMA. A continuación se pueden descargar estos paneles.

Aplicación

Para el Laboratorio Virtual de Ibercaja se ha creado una aplicación sobre superconductividad que contiene cinco ejercicios relacionados con las aplicaciones de los materiales superconductores. Esta aplicación se ha realizado con el objeto de que profesores de Educación Secundaria y Bachillerato puedan trabajar algunos aspectos de los materiales superconductores con sus alumnos. En la zona de descargas hay ficheros específicos con información para los profesores. Esta aplicación puede descargarse en

http://www.ibercajalav.net/curso.php?fcurso=551&fpassword=lav&fnombre=0.5036634103012764

Videos sobre superconductividad

En el repositorio del CSIC CIenciaTK se ha incluido un video sobre la superconductividad y los materiales superconductores

Pueden descargarse los videos en los siguientes enlaces:

Superconductividad

http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+SUPERCONDUCTIVIDAD_25447.html

Materiales superconductores

http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+MATERIALES+SUPERCONDUCTORES_25448.html

Aplicaciones de la superconductividad

http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+APLICACIONES_25451.html

El proceso de levitación

http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+EL+PROCESO+DE+LEVITACION_25449.html

Superconductividad en el ICMA

http://www.cienciatk.csic.es/Videos/MATERIALES+SUPERCONDUCTORES+%C2%BFQUE+HACEMOS+EN+EL+ICMA%3F_25450.htm

Artículos en prensa:

Con motivo del centenario de la superconductividad el suplemento Tercer Milenio del Heraldo de Aragón publicó el 18 de Octubre de 2011 el artículo: "Cien Años de Superconductividad"