El cisne blanco          

Irreverente, apenas emprende el camino hacia el éxito. Se pavonea en los corredores de la física, en tanto teóricos y experimentales intentan develar sus más íntimos secretos.

Por: Dania Ramos Martín
31 Octubre, 2011

Foto: www.purpleopurple.com

Heike Kamerlingh Onnes no podía dar fe a lo que sus ojos veían. Deshizo el experimento varias veces, seguro de haber errado en una parte del procedimiento.

Pero ahí estaba: poderosa, seductora, enigmática. Impávido, alcanzó a nombrarla, seguro de haber inaugurado un acontecimiento de dimensiones inestimables para la física.

Superconductividad, ninguna otra palabra alcanzaría mejor a bautizar el fenómeno. Era el 8 de abril de 1911 y en octubre de ese año, en el Hotel Metropol, de Bruselas, ante un grupo de científicos, entre los que se encontraban Marie Curie, Max Planck y Albert Einstein, el holandés contó cómo estudiando las propiedades del mercurio enfriado con helio líquido, observó que la resistividad eléctrica caía drásticamente hasta el cero absoluto cuando alcanzaba los 4 Kelvin (-269 grados Celsius).

Desde entonces, y por espacio de un siglo, la superconductividad, como el cisne blanco de Tchaikovsky, coquetea con los científicos, en espera de romper su encanto, con el que se abrirán al mundo posibilidades tecnológicas nunca antes vistas.

“Volar” el camino

Heike Kamerling Onnes (primero de derecha a izquierda), descubridor de la superconductividad, en el laboratorio de Leiden, Holanda. En 1908 consiguió por primera vez licuar el helio (que a presión atmosférica hervía a – 269 ºC), paso previo al estudio de las propiedades de la materia a bajas temperaturas. Por sus descubrimientos, recibió el Nobel de Física en 1913. (Foto: www.madrimasd.org)

En la distante Shangai, un tren “vuela” a ras de los rieles, levitando sobre ellos a una distancia de 15 centímetros. Recorre 30 kilómetros en esa ciudad, y lo hace en solo ocho minutos. El artefacto, competidor potencial de los aviones, puede alcanzar hasta 650 kilómetros por hora. Los ingenieros crearon el prototipo del “aerotren” estudiando el comportamiento de los materiales superconductores.

En 1933, Walter Meissner y Robert Ochsenfeld habían notado que los superconductores expulsan las líneas de flujo magnético provocadas por un imán. El hallazgo sorprendía al mundo científico y aportaba pistas para la comprensión de un fenómeno con visos de misterio. A este se le conoce como el efecto Meissner, y es e
principio utilizado por los trenes de levitación magnética. La repulsión entre electroimanes potentes, colocados en la vía y en el vehículo, hace posible su elevación a unos centímetros del suelo.

Puzzle
Muy lentamente, la superconductividad dejaba escapar algunas claves, pero era un hueso duro de roer: su rara condición no podía ser explicada por las teorías convencionales. Los físicos, como auténticos jugadores de rompecabezas, comenzaron a relacionar piezas, a despecho de los dogmas establecidos.

Por fin, en 1957, un trío de científicos, popularizado por las iniciales de sus apellidos, lanzó el eureka esperado: la teoría BCS (John Bardeen, Leon N. Cooper y Robert Schrieffer), reveló que la corriente eléctrica en los superconductores no es transportada por electrones simples, como sería el caso normal, sino por pares de electrones -llamados pares de Cooper- que se mueven de manera ordenada.

Principio de funcionamiento de los trenes de levitación magnética (Maglev). (Ilustración: Teodoro Mancera. Fuente: www.blogsdelagente.com)

Los postulados del ruso Alexei A. Abrikosov vendrían a diferenciar los superconductores convencionales de los llamados tipo II. En ellos, el aumento de la intensidad del campo magnético externo provoca el surgimiento de una suerte de vórtices que atraviesan el interior del material, rodeados por un torbellino de supercorriente. Tales vórtices se van apelotonando más y más, hasta que provocan la muerte de la superconductividad.

En el lapso en que el material está siendo atravesado por estos “tifones” diminutos, la corriente fluye por su núcleo en torrente indetenible. Esta condición hace a estos compuestos más eficientes que los convencionales, donde el campo magnético solo atraviesa la superficie externa, única capa por donde se deslizan los electrones.

En la década del 60 el británico Brian David Josephson describió un efecto, luego llamado por su nombre, que hace posible el flujo de corriente eléctrica entre dos materiales superconductores separados entre sí por un aislante fino.

Primero fue tildado de loco. Luego, cuando las uniones pudieron ser fabricadas, se vislumbraron aplicaciones que son hoy valiosísimas en áreas como la medicina y la industria militar. Este principio permite construir captadores magnéticos extraordinariamente sensibles, capaces de medir campos magnéticos y tensiones eléctricas muy débiles.

Entrando en calor

Los SQUIDs (siglas de Superconductive Quantum Interference Device) revolucionaron el campo de las imagenología. La técnica de resonancia magnética, que utiliza estos dispositivos, es quizás la aplicación más generalizada de la superconductividad. Cada una de las 30 mil máquinas que existen en el mundo utiliza 50 kilómetros de cable superconductor inmerso en helio líquido. (Foto: www.taringa.net)

¿Conducir corriente eléctrica sin pérdidas? ¡Eso sí era un suceso científico! Pero lograr el enfriamiento extremo con helio líquido, sustancia escasa en la naturaleza, constituía un reto especialmente caro.

Entonces, desde todas las esquinas del mundo los investigadores se lanzaron a encontrar la manera de ponerle un poco de calor al asunto, intentando la obtención de materiales que lograran el estado superconductor a temperaturas más altas, aun cuando estemos hablando de muchísimos grados por debajo del cero en la escala Celsius.

Setenta años después del hallazgo de Onnes, apenas se había logrado sobrepasar los 20 grados Kelvin, conseguidos con el helio líquido. Pero en 1986 dos suizos del centro de investigaciones de la IBM, en Zurich, J. G. Berdnorz y K. A. Müller, observaron una temperatura crítica (por debajo de la cual el material pasa al estado superconductor) de 35 K en el compuesto de óxido de cobre, bario y lantano (BaLaCuO).

Luego, Maw-Kuen Wu y Paul C. W. Chu descubrieron una cerámica de óxido de itrio, bario y cobre (conocida como YBaCuO), superconductora a 93 grados Kelvin. A esta temperatura, la refrigeración puede conseguirse con nitrógeno líquido. Pero el saco de la superconductividad a bajas temperaturas no sirve para los nuevos materiales, de modo que los físicos están de nuevo agitando sus neuronas. No se conocen todavía a ciencia cierta las propiedades físicas (eléctricas, magnéticas y ópticas) de estos compuestos, y no se ha logrado un método eficiente para sintetizarlos de cara a su utilización práctica.

Tres amigas

Una aplicación de la superconductividad tiene lugar en los aceleradores de partículas. Se han desarrollado electroimanes dipolares y cuadrupolares oscilantes, capaces de generar los campos magnéticos más intensos de la historia. (Foto: www.entendiendoastronomia.blogspot.com)

Sustituir los cables de cobre que hoy transportan la energía eléctrica a grandes distancias es una de las ambiciones de los científicos. Fabricar líneas de material superconductor evitaría las pérdidas por calentamiento. Mas, se necesita primero elevar la temperatura crítica y conseguir compuestos lo suficientemente flexibles.

Los empresarios de la American Superconductor han decidido encarar el reto, y proyectan unir tres grandes redes que producen energía renovable (eólica, solar y geotérmica) de modo independiente en los Estados Unidos.

El proyecto Tres Amigas, en Nuevo México, unirá las redes del Oeste, el Este y la de Texas, en una interconexión que pretende aumentar la eficiencia del sistema, pues parte de la energía puede redirigirse de un lugar a otro.

La superestación abarcará kilómetros de tubería eléctrica soterrada, consistente en cables superconductores de corriente directa –revestidos con nitrógeno líquido–, que manejarán inicialmente una potencia de 15 Gigawatts. Sin embargo, la puesta en funcionamiento demorará aún unos cuatro años y costará un billón de dólares.

Llegará el día en que el maravilloso fenómeno de la superconductividad tenga lugar en condiciones naturales, merced algunos mecanismos urdidos por la ingeniería. Será entonces la realización de sueños ahora pospuestos, que harán posibles los trenes que “vuelan”, los cables sin pérdidas de energía, los equipos más ingeniosos para uso médico, dispositivos que almacenen energía, o la fabricación de supercomputadoras. Es solo cuestión de ciencia y tiempo.