I progressi nella superconduttività aprono la strada a una nuova rivoluzione tecnologica

Limiti di superconduttività

L’elettricità è stata una delle tecnologie più trasformative della storia, consentendo la trasmissione di una forma di energia molto utile su lunghe distanze. Ma ogni sistema elettrico deve affrontare una resistenza elettrica, che provoca la generazione di calore quando viene applicata una corrente elettrica.

Esiste un'alternativa, il cosiddetto materiale superconduttivo. I materiali superconduttori hanno una resistenza elettrica pari a zero, che consente di utilizzare correnti estremamente potenti senza generare calore o potenti campi magnetici.

Senza la superconduttività, molte tecnologie moderne non sarebbero possibili, compresi gli acceleratori di particelle, la risonanza magnetica e i treni maglev.

Il problema è che tutte queste applicazioni si basano sulla superconduttività a bassa temperatura, dove i materiali sono superconduttori solo quando raffreddati a basse temperature come 20°K/-253°C/-423°F, compreso l'elio liquido.

Per alcune applicazioni, come i magneti nei reattori sperimentali a fusione, la temperatura richiesta può essere fino a 4°K (solo 4 gradi sopra lo zero assoluto), anche se questa situazione sta migliorando (vedi sotto).

Temperature così estremamente basse sono difficili da mantenere e consumano molta energia. Pertanto, anche se altre tecnologie e applicazioni potrebbero trarre vantaggio dalla superconduttività, raramente è economicamente fattibile farlo.

Superconduttività ad alta temperatura

Questo è il motivo per cui la prospettiva che i materiali possano rimanere superconduttivi a temperature più elevate è una prospettiva entusiasmante. In quel contesto, La temperatura “alta” può variare da -185°C a -135°C ma questa è molto più facile da raggiungere rispetto alla tradizionale temperatura superconduttiva, utilizzando azoto liquido anziché elio liquido.

Ma ovviamente il materiale ideale sarebbe superconduttivo a temperature appena sotto lo zero o addirittura a temperatura ambiente.

Superconduttività a temperatura ambiente

Nell'estate del 2023, un pezzo di la notizia è diventata virale dopo la pubblicazione di un articolo scientifico dal titolo “Il primo superconduttore a temperatura ambiente e pressione ambientale”. Un materiale chiamato LK-99 è stato descritto come funzionante come superconduttore fino a 127°C/260°F. Il fatto che abbia utilizzato materiali comuni come rame e piombo (apatite di piombo sostituita con rame – CSLA) non ha fatto altro che aumentare il potenziale della scoperta.

Cristalli di rame – Fonte: DOE

Ha persino innescato una microbolla nei titoli azionari legati alla superconduttività, ad esempio, un +60% sui prezzi delle azioni American Superconductor.

L'affermazione è stata immediatamente contestata e ritenuta difficilmente replicabile.

Storia della superconduttività LK-99

Ma questa storia non è ancora finita. Nel gennaio 2024, anche altri due gruppi di ricerca hanno osservato il potenziale di LK-99 superconduttività.

È interessante notare che ogni squadra ha ricreato la propria versione di LK-99 attraverso diversi metodi di produzione, indicando che i risultati osservati sono probabilmente legati al materiale più che a possibili impurità o errori.

Quindi c’è qualche speranza che non si tratti di un falso allarme. Ciò che sembra essere il caso è che il processo di produzione è, per ora, estremamente inefficiente, rendendo facile che un test risulti negativo.

Quindi, forse, non sorprende che replicare la scoperta iniziale di LK-99 sia stato tutt’altro che semplice.

“…anche i campioni sintetizzati seguendo l’attuale processo più noto (quello da loro utilizzato) tendono ad avere un’alta percentuale di materia non superconduttrice mescolata con i pezzi presumibilmente superconduttori. In questo scenario, è facile dichiarare erroneamente i campioni come morti anche dopo averli testati.

uno dei campioni superconduttori su cui hanno basato il loro articolo è stato fabbricato nel novembre del 2023, si è rivelato un disastro e stava per essere distrutto in più punti della sua vita.

Fonte: Tom's Hardware

Potenziale di superconduttività

Anche se i superconduttori a temperatura ambiente rimangono sfuggenti, i ricercatori potrebbero trovare un modo per mantenere il materiale superconduttivo a temperature “elevate” tra -80°C e -70°C.

Ciò cambierebbe completamente la possibile applicazione, poiché la superconduttività può quindi fare affidamento sulla tecnologia di raffreddamento utilizzata nei congelatori che conservano i vaccini mRNA invece che sui più costosi elio o azoto liquidi.

Tra i possibili applicazioni già discusse negli anni ’1990 siamo:

• Una migliore risonanza magnetica, con una risoluzione più elevata e più economico da costruire e gestire, gli consente di diventare un esame medico molto più di routine.
• Sistemi di azionamento della spinta elettromagnetica (anche detto magnetoidrodinamica (MHD) per spingere le navi attraverso l'elettrizzante acqua di mare.
• Più potente ed efficiente motori elettrici.
• Batterie a densità più elevata e più sicure con Accumulo di energia magnetica superconduttore (SMES).
• Limitatori, interruttori e fusibili superconduttori per migliorare le infrastrutture della rete elettrica.
• Trasmissione di potenza a lunga distanza senza perdite, che potrebbe aumentare l’efficienza delle energie rinnovabili, ad esempio con i pannelli solari ancora al sole che alimentano una città a migliaia di chilometri di distanza.
• Più economico e più facile da mantenere treni Maglev o successivi sui sistemi Hyperloop.
• Sensori/magnetometri (Dispositivi superconduttori di interferenza quantistica – SQUIDS) per applicazioni in ambienti industriali.
• Calcolo quantistico superconduttore
  • (puoi leggere di più sui progressi dell’informatica quantistica nel nostro articolo “Lo stato attuale dell'informatica quantistica").
• Applicazioni per la difesa e l'aerospaziale, inclusi scudi antiradiazioni, lanci elettromagnetici, cuscinetti magnetici, sensori, cannoni ferroviari, cannoni a bobina, laser e altre armi energetiche.

Fonte: DOE

Superconduttività e fusione nucleare

La fusione nucleare è un’altra applicazione che trarrebbe grande beneficio dal funzionamento dei superconduttori a temperature più elevate.

Tutti i vari metodi per ottenere la fusione nucleare commerciale si basano su magneti estremamente potenti per contenere e comprimere il plasma riscaldato a decine o centinaia di milioni di gradi.

Dopo un successo iniziale nel 2021, un gruppo di ricerca del Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT ha lavorato alla realizzazione di un magnete superconduttivo abbastanza potente da essere utilizzabile nei reattori a fusione nucleare.

Il nuovo design del magnete di fusione è superconduttivo a 16°K invece dei precedenti 4°K. Un'innovazione chiave è la rimozione di tutto l'isolamento attorno al filo conduttivo del magnete. Ciò, a sua volta, ha liberato spazio per ulteriori miglioramenti, come un processo di fabbricazione più semplice o una maggiore resistenza strutturale.

Fonte: Phys.org

“Prima della dimostrazione del 5 settembre, i migliori magneti superconduttori disponibili erano abbastanza potenti da ottenere potenzialmente l’energia di fusione, ma solo a dimensioni e costi che non avrebbero mai potuto essere pratici o economicamente sostenibili. Poi, quando i test hanno dimostrato la praticità di un magnete così potente con dimensioni notevolmente ridotte, “da un giorno all’altro, ha sostanzialmente cambiato il costo per watt di un reattore a fusione di un fattore di quasi 40 in un giorno”

Dennis Whyte - Professore di ingegneria di Hitachi America

Hanno pubblicato le loro scoperte in una raccolta di 6 articoli scientifici pubblicati in Transazioni IEEE sulla superconduttività applicata. Hanno spiegato in dettaglio come costruire tali magneti di fusione da 16°K, che generano un campo magnetico intenso quanto 20 Tesla.

Testare il limite

Desiderosi di dimostrare che il nuovo design del magnete a fusione può funzionare in modo sicuro, lo hanno anche messo attivamente in situazioni difficili. L'ultimo test ha evidenziato che il magnete si scioglieva parzialmente in un angolo. E anche la maggior parte degli elementi magnetici è sopravvissuta (95%+), dimostrando la robustezza del design.

Ciò che è stato altrettanto impressionante è che il modello dei ricercatori ha previsto perfettamente il modo in cui il magnete ha ceduto.

L'esperienza ha anche testato la catena di approvvigionamento di tale materiale, utilizzando 300 chilometri (186 miglia) di superconduttore ad alta temperatura in collaborazione con CFS (Commonwealth Fusion Systems, una società derivata dal MIT)

Il futuro della fusione del magnete superconduttivo

Ancora per un po’, i reattori a fusione faranno affidamento su superconduttori ben conosciuti e testati che utilizzano elio liquido per rimanere al di sotto dei 20°K.

Tuttavia, sembra che la superconduttività a temperature più elevate non solo sia possibile, ma sia probabilmente fattibile a temperature molto più gestibili.

A lungo termine, tali magneti superconduttori potrebbero contribuire a migliorare le prestazioni dei reattori a fusione, oltre a ridurne il prezzo, consentendone la fattibilità commerciale.

Ciò sbloccherebbe una fonte di energia quasi illimitata per l’umanità, rendendo banali le nostre attuali questioni relative alla produzione alimentare, alla desalinizzazione, al cambiamento climatico, ai viaggi nello spazio, ecc.