Superconductividad a alta temperatura

Inicialmente, los superconductores tenían una aplicación muy limitada, ya que su temperatura de funcionamiento no debería exceder los 20K (-253 ° C). Por ejemplo, la temperatura del helio líquido a 4.2 K (-268.8 ° C) es adecuada para que funcione el superconductor, pero se necesita mucha energía para enfriarse y mantener una temperatura tan baja, lo que técnicamente es muy problemático.

Los superconductores de alta temperatura descubiertos en 1986 por Karl Müller y Georg Bednorets mostraron una temperatura crítica mucho más alta, y la temperatura del nitrógeno líquido a 75K (-198 ° C) para tales conductores es suficiente para la operación. Además, el nitrógeno es mucho más barato que el helio como refrigerante.

El descubrimiento en 1987 de un "salto de conductividad a casi cero" a una temperatura de 36K (-237 ° C) para compuestos de lantano, estroncio, cobre y oxígeno (La - Sr - Cu - O) fue el comienzo. Luego, se descubrió por primera vez la propiedad de los compuestos de itrio, bario, cobre y oxígeno (Y - Ba - Cu - O) para exhibir propiedades superconductoras a una temperatura de 77.4 K (-195.6 ° C) por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido.

En 2003, se descubrió el compuesto cerámico Hg - Ba - Ca - Cu - O (F), que tiene una temperatura crítica de 138 K (-135 ° C) y alcanza 166 K (-107 ° C) a una presión de 400 kbar; y en 2015, se estableció un nuevo récord para el sulfuro de hidrógeno (H2S), que se convirtió en un superconductor a una presión de 100 GPa, a una temperatura no superior a 203K (-70 ° C).

La superconductividad como fenómeno físico, primero a nivel microscópico, se explicó en el trabajo de los físicos estadounidenses John Bardin, Leon Cooper y John Shriffer en 1957. Su teoría se basaba en el concepto de los llamados pares de electrones Cooper, y la teoría misma se llamaba teoría BCS, según las primeras letras de los nombres de sus autores, y hasta el día de hoy esta teoría macroscópica de los superconductores es dominante.

Según esta teoría, los estados electrónicos de los pares de Cooper se correlacionan con espines y momentos opuestos. Al mismo tiempo, la teoría utilizó las llamadas transformaciones de Nikolai Bogolyubov, quien demostró que la superconductividad puede considerarse como un proceso de superfluidez de un gas de electrones.

Cerca de la superficie de Fermi, los electrones pueden ser atraídos de manera efectiva al interactuar entre ellos a través de los fonones, y solo aquellos electrones cuya energía difiere de la energía del electrón en la superficie de Fermi en no más de hVd (aquí Vd es la frecuencia de Debye), y el resto de los electrones no interactúan.

Los electrones interactúan y se combinan en pares de Cooper. Estos pares poseen algunas propiedades características de los bosones, y los bosones pueden pasar a un solo estado cuántico al enfriarse. Por lo tanto, debido a esta característica, los pares pueden moverse sin chocar con la red u otros electrones, es decir, los pares de Cooper se mueven sin pérdida de energía.

En la práctica, los superconductores de alta temperatura proporcionan una transmisión de potencia sin pérdidas, lo que hace que su introducción y uso en el futuro sea útil y eficiente. Cables de alimentación, transformadores, máquinas eléctricas, almacenamiento de energía inductiva con una vida útil ilimitada, limitadores de corriente, etc. Los superconductores de alta temperatura son aplicables en todas partes en la ingeniería eléctrica.

Las dimensiones se reducirán, las pérdidas se reducirán, la eficiencia de la producción, transmisión y distribución de energía eléctrica en general aumentará. Transformadores tendrá menos peso y pérdidas muy bajas, en comparación con los transformadores con bobinados convencionales. Los transformadores superconductores serán respetuosos con el medio ambiente, no necesitarán enfriarse y, en caso de sobrecarga, la corriente será limitada.

Los limitadores de corriente superconductores son menos inerciales. Cuando enciende dispositivos de almacenamiento de energía y generadores superconductores en redes eléctricas, su estabilidad aumentará. El suministro de energía de las megaciudades se llevará a cabo mediante cables subterráneos superconductores que pueden conducir hasta 5 veces más corriente, y el tendido de dichos cables salvará significativamente las áreas urbanas, ya que los cables serán más compactos en comparación con los utilizados en la actualidad.

Los cálculos muestran que, por ejemplo, construir una línea de alimentación de 1 GW a un voltaje de 154 kV, si se utilizan cables superconductores, costará un 38% más barato que si se implementara utilizando tecnología estándar. Y esto tiene en cuenta el diseño y la instalación, ya que el número de hilos necesarios es menor, respectivamente, el número total de cables es menor y el diámetro interno de los conductos también es menor.

Es de destacar que se puede transmitir una potencia significativa a través de un cable superconductor incluso a bajo voltaje, lo que reduce contaminación electromagnética, y esto es cierto para áreas densamente pobladas, donde la colocación de líneas de alto voltaje causa preocupación, tanto entre ecologistas como entre el público.

La introducción de superconductores de alta temperatura en el campo de la energía alternativa también es prometedora, donde la rentabilidad no es un factor secundario, y el uso de superconductores aquí aumentará la eficiencia de las nuevas fuentes. Además, durante los próximos 20 años, existe una tendencia constante hacia su rápido desarrollo en el mundo.