Opinión

Jul 11, 2023

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Ensayo invitado

Por Andrew Coté

El Sr. Cote es un ingeniero físico que ha trabajado con superconductores en laboratorios de física de materia condensada y aceleradores de partículas y ha diseñado sistemas magnéticos superconductores para la fusión nuclear.

Las últimas tres semanas han sido testigos del espectacular ascenso y caída de un nuevo candidato al santo grial de la ciencia de los materiales: un superconductor que funciona a temperatura ambiente. El 22 de julio, un equipo de investigadores de Corea del Sur informó sus hallazgos sobre un compuesto al que llamaron LK-99, afirmando que su descubrimiento era un “momento histórico completamente nuevo” que “abriría una nueva era para la humanidad”. Siguió un bullicioso frenesí de debates sobre física en línea y publicaciones rápidas, para fracasar dos semanas después. LK-99, al parecer, fue un fracaso.

El interés público en torno a LK-99 fue un fenómeno tanto social como científico. El gran volumen de discusiones en línea en foros de mensajes, chats grupales, Reddit y X, la aplicación antes conocida como Twitter, llamó la atención de los investigadores científicos que comenzaron a realizar simulaciones y experimentos para replicar o refutar las afirmaciones del equipo coreano. Por un breve momento, una gran audiencia de personas nuevas en la superconductividad sintió una repentina fascinación por un área específica de la ciencia de materiales, buscando una respuesta a una pregunta rara vez escuchada pero profunda: ¿acababa de entrar la humanidad en una nueva era dorada?

Siempre que la energía eléctrica pasa por una línea de transmisión, parte se pierde como calor residual, un impuesto omnipresente impuesto por las leyes de la naturaleza. El milagroso potencial de los superconductores es que transportan electricidad a grandes distancias con perfecta eficiencia. Si alguna vez descubrimos cómo fabricarlos a bajo costo y hacerlos funcionar a temperatura ambiente en lugar de solo a cientos de grados bajo cero, revolucionaríamos nuestra economía y ayudaríamos a salvar el medio ambiente. Los superconductores también pueden lograr hazañas como potentes campos magnéticos y levitación en el aire, permitiendo nuevas categorías de dispositivos electrónicos, computadoras y modos de transporte.

Desafortunadamente, el material con la temperatura más alta actualmente conocida como superconductor solo lo hace a -10 grados y necesita ser sometido a una presión de alrededor de 1,9 millones de atmósferas. Los materiales que se superconducen a presión ambiente requieren temperaturas inferiores a aproximadamente -150 grados, lo que limita su uso a aplicaciones en las que la ingeniería criogénica vale la pena, como imágenes médicas y física experimental.

La búsqueda de una temperatura ambiente

superconductor

En las últimas décadas, los científicos han descubierto materiales que se superconducen a temperaturas cada vez más altas.

100°F

Temperatura ambiente

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Muchos de los superconductores de temperaturas más altas requieren una presión extrema, entre 100.000 y millones de atmósferas, para funcionar.

-100

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Nitrógeno líquido

-400

Hidrógeno líquido

1940

1960

1980

2000

2020

La búsqueda de un superconductor a temperatura ambiente

En las últimas décadas, los científicos han descubierto materiales que se superconducen a temperaturas cada vez más altas.

100°F

Temperatura ambiente

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Muchos de los superconductores de temperaturas más altas requieren una presión extrema, entre 100.000 y millones de atmósferas, para funcionar.

-100

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Nitrógeno líquido

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Hidrógeno líquido

1940

1960

1980

2000

2020

Fuente: Basado en el trabajo de tesis publicado por Olivier Gingras (2021) y Pia Jensen Ray (2015).

Gráfico de Sara Chodosh.

Estas propiedades son posibles en los superconductores por la forma en que los electrones se mueven a través de ellos de manera diferente que a través de los metales comunes. En cobre y otros materiales conductores de electricidad, imagine una bola de corriente eléctrica que se deja caer en la parte superior de una máquina Plinko, rebotando sobre clavijas hasta abajo. Cada rebote transfiere un poco de energía de la pelota a una clavija: ese es el impuesto al calor en acción. En un superconductor, las bolas de corriente eléctrica se deslizan suavemente, como canicas a lo largo de una pista. Sin calor, sin pérdida de energía.

Los superconductores a temperatura ambiente tendrían el mayor impacto en la generación, transmisión y distribución de energía. Actualmente, entre el 8 y el 15 por ciento de toda la energía producida para las redes eléctricas se pierde como calor residual en el camino hacia su uso. En Estados Unidos, esto equivale a docenas de centrales nucleares desperdiciadas de energía. El uso de superconductores a temperatura ambiente en transformadores eléctricos, que reducen los altos voltajes en las líneas de transmisión a niveles apropiados para uso doméstico, y generadores, que convierten la energía rotacional en energía eléctrica, podría ahorrar entre un 30 y un 40 por ciento más de energía desperdiciada y, al mismo tiempo, reducir la cantidad y complejidad de los materiales que se necesitan para fabricar dichos equipos en primer lugar.

Las líneas de transmisión superconductoras también permitirían una transferencia casi sin pérdidas de energía renovable a través de grandes distancias. La energía generada por enormes paneles solares en los desiertos de la costa oeste podría alimentar más fácilmente a las ciudades de la costa este durante el invierno, y el almacenamiento de energía basado en superconductores podría reemplazar por completo a las baterías a escala industrial, resolviendo uno de los principales desafíos en el desarrollo de energía renovable a escala. Estos sistemas de almacenamiento funcionan dejando que la corriente eléctrica viaje en un circuito sin fin y, dado que lo hace prácticamente sin pérdidas, puede continuar circulando en este circuito con muy poca energía utilizada para mantenerlo en funcionamiento. La energía total perdida al cargar y descargar una batería convencional es de alrededor del 20 por ciento, mientras que en un sistema de almacenamiento superconductor de este tipo estaría más cerca del 5 por ciento.

Los superconductores de baja temperatura se utilizan hoy en día en aplicaciones que requieren campos magnéticos potentes, como las máquinas de resonancia magnética. Un factor que contribuye significativamente al gasto de esas máquinas es el helio líquido necesario para enfriar los imanes a temperaturas criogénicas. Cada máquina de resonancia magnética requiere alrededor de 500 galones de helio para funcionar, y los precios de suministro limitados y fluctuantes del helio pueden aumentar el precio y limitar la disponibilidad de resonancias magnéticas para los pacientes que las necesitan.

El límite de resolución de las exploraciones por resonancia magnética está determinado por la intensidad del campo magnético y los superconductores pueden producir campos magnéticos muy fuertes. Se han propuesto máquinas más baratas que funcionan sin refrigeración criogénica, pero tendrían una resolución mucho menor sin superconductores, lo que limitaría su capacidad para detectar afecciones de salud pequeñas pero importantes. Los superconductores a temperatura ambiente resolverían ambos desafíos. Las imágenes médicas no invasivas, más baratas, más accesibles y de mayor resolución, podrían transformar la calidad de la atención médica de diagnóstico, particularmente en los países más pobres que hoy tienen menos acceso a las resonancias magnéticas.

Los campos magnéticos de alta intensidad producidos por superconductores también se pueden utilizar comercialmente para hacer levitar trenes de alta velocidad sobre un fino colchón de aire sobre las vías. Esta tecnología ha estado en desarrollo en Japón durante décadas, con trenes maglev originalmente proyectados para abrirse al público en 2027, circulando a velocidades de hasta 600 kilómetros por hora entre Tokio y Nagoya. En Estados Unidos, recientemente se propuso una línea de tren maglev para transportar a los viajeros entre la ciudad de Nueva York y Washington, DC, en menos de una hora.

Estos trenes especializados son increíblemente costosos de construir y difíciles de diseñar debido a nuestros materiales superconductores actuales, lo que limita su aplicación sólo a los corredores de cercanías más transitados y densos del mundo. Los superconductores a temperatura ambiente simplificarían drásticamente el diseño y la ingeniería de los trenes de alta velocidad, alcanzando velocidades que harían que el ferrocarril fuera competitivo con las aerolíneas para los viajes interurbanos continentales. Como beneficio adicional, estos trenes podrían funcionar con energía de red limpia y habilitada por superconductores, eliminando las miles de libras de dióxido de carbono emitidas para transportar a los pasajeros en un vuelo nacional.

Los transistores que alimentan todos los dispositivos electrónicos modernos tienen limitaciones: solo pueden operar con cierta velocidad y cada operación pierde energía en forma de calor. La velocidad de operación de los transistores de los chips de computadora aumentó constantemente hasta mediados de la década de 2010, cuando alcanzó los límites materiales de nuestros actuales transistores basados ​​en silicio. La densidad de los transistores en un chip de computadora moderno también está muy limitada por nuestra capacidad de eliminar el calor residual, razón por la cual los chips son rectángulos pequeños y planos, a menudo con grandes disipadores de calor conectados a la parte superior, en lugar de cubos sólidos.

Los chips de computadora diseñados con materiales superconductores tienen el potencial de ser alrededor de 300 veces más eficientes energéticamente y 10 veces más rápidos que nuestra microelectrónica actual basada en silicio. Eliminar el calor residual permitiría diseños más compactos, mayor duración de las baterías y un impuesto más bajo a nuestra red eléctrica para impulsar la economía digital. Por último, podríamos dejar abiertas tantas pestañas del navegador como queramos.

El papel más interesante que podrían desempeñar los superconductores a temperatura ambiente en nuestra economía futura es la producción de energía limpia y barata. La reciente aparición de proyectos de fusión nuclear con financiación privada ha sido posible en gran medida gracias a los avances en la fabricación de cintas superconductoras de alta temperatura, que generan campos magnéticos extremadamente potentes que atrapan y confinan un gas caliente y cargado llamado plasma a más de 180 millones de grados. Un superconductor a temperatura ambiente hecho de metales baratos ampliamente disponibles aceleraría drásticamente el cronograma para reemplazar nuestras formas de energía más peligrosas y contaminantes (carbón y petróleo) con energía de fusión, que funciona según el mismo principio que alimenta el sol.

Se dice que la energía de fusión, si alguna vez llega, será la última fuente de energía que la humanidad necesitará. Dado que el combustible para la fusión puede extraerse del agua de mar, liberaría nuestros suministros energéticos de la agitación geopolítica que envía sacudidas a nuestra economía de vez en cuando a través de la oscilación de los precios del petróleo y el gas natural. Para tener una idea de la escala, el hidrógeno de un galón de agua de mar, cuando se quema en un reactor de fusión, libera aproximadamente la misma cantidad de energía que más de 1.000 galones de gasolina refinada. La energía ilimitada, libre de conflictos y libre de carbono reduciría el costo de casi todas las piezas o productos, ya que la mitad del precio de materiales comunes como el acero y el aluminio es el costo de la electricidad necesaria para fabricarlos.

Nuestro dilema central en el mundo moderno y consciente del medio ambiente es que debemos aprender a hacer más con menos. El motor de nuestra economía exige un crecimiento constante para sostenerse. Sin embargo, también reconocemos la necesidad de reducir nuestro impacto en el mundo que nos rodea y proteger el medio ambiente enfermo. Nuestros incentivos y obligaciones con el mundo material nos están empujando en diferentes direcciones. El atractivo de un superconductor a temperatura ambiente crece a medida que nuestro panorama económico y medioambiental se oscurece. Es el tipo de material milagroso que podría frenar el cambio climático y al mismo tiempo potenciar la prosperidad económica mundial, logrado a través de nuevas tecnologías que antes sólo se veían en la ciencia ficción.

En los últimos días, los científicos han publicado varios informes nuevos que muestran que LK-99 no es un superconductor a temperatura ambiente sino más bien una sustancia magnética bastante mundana que imita algunas de las propiedades visuales características de los superconductores, como levitar sobre un imán fuerte, pero no la más importante propiedad física de resistencia eléctrica cero. En lugar de encontrar oro, los científicos coreanos probablemente descubrieron una nueva forma de pirita.

Todavía no sabemos si el campo de la investigación de la superconductividad se beneficiará de las nuevas vías abiertas en las últimas semanas si muchos laboratorios continúan investigando materiales similares al LK-99. Es un campo en el que la teoría y la experimentación a menudo se han desafiado mutuamente, y nuestras expectativas de lo que es posible han sido frecuentemente cuestionadas por lo que se ha observado. Aunque sin duda el interés público se desvanecerá por ahora, queda una promesa audaz: una edad de oro de los superconductores podría estar en el horizonte, y el papel de la ciencia es claro: encontrar una manera de llevarnos allí.

Ilustraciones de Taylor Maggiacomo.

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