La física detrás de los superconductores a temperatura ambiente

La semana pasada apareció un paper increíble, literalmente. Parece muy bueno para ser verdad, porque promete solucionar un problema que ha obsesionado a la física por más de 100 años: desde que H. Kammerling Ones descubrió en 1911 que el Mercurio enfriado a -269 °C podía mantener una corriente eléctrica circulando para siempre, sin ofrecer resistencia.

Lo que prometía el paper era la creación del primer superconductor a temperatura y presión ambiente, y con una metodología replicable que recordaba a tutoriales Hazlo tú mismo, con materiales "caseros". En Twitter se escuchaba un coro de personas comentando que parecía alquimia y que pronto se verían videos en YouTube de personas aficionadas recreando los resultados.

El paper todavía no ha sido replicado por pares y ya prima el escepticismo, pero si el descubrimiento fuese real, cambiaría por completo cómo generamos y consumimos energía. Les doy una sinopsis: los computadores y celulares no se calentarían y correrían a velocidades insólitas (ningún computador necesitaría ventiladores), las máquinas de resonancia magnética serían baratísimas y nos llenaríamos de trenes Maglev (sí, esos trenes que levitan gracias a imanes).

Qué son los superconductores y cómo funcionan

Los superconductores son materiales que, llevados a menos de cierta temperatura, conducen la electricidad sin poner resistencia. Los electrones en un conductor se comportan como un gas que colisiona con los átomos que lo componen. A medida que bajamos la temperatura, las vibraciones de estos átomos disminuye haciendo más fácil el paso de los electrones. La temperatura a la que esto ocurre se llama temperatura crítica y es distinta para cada material.

Cuando enfriamos un conductor bajo la temperatura crítica, los átomos dejan de vibrar y forman una red sobre la que los electrones se mueven libremente. Los electrones tienen carga negativa y se repelen entre sí, pero la mecánica cuántica hace que acá pase un fenómeno distinto.

Como los electrones tienen carga negativa, los átomos (cargados positivamente) se ven atraídos al electrón deformando la red de átomos del conductor. Así, se forman vibraciones en la red donde hay una acumulación localizada de carga positiva.

Estas vibraciones cargadas positivamente se mueven por el conductor atrayendo a otros electrones, de tal menará que se forman pares electrón-electrón que se mueven como una sola entidad. Éstas cuasi-partículas, que están cargadas negativamente, se conocen como pares de Cooper.

Los pares de Cooper se mueven en conjunto como partículas negativas en un patrón de vibración ordenado que conduce la electricidad sin perder energía en la red. Este modelo matemático se conoce como la teoría BCS para explicar la superconductividad de un material.

La mecánica cuántica pareciera ser un fenómeno escondido de la naturaleza que solo se manifiesta en fenómenos microscópicos, pero la superconductividad es un ejemplo de una teoría cuántica que se manifiesta macroscópicamente: cuando tienes un superconductor, si lo pones sobre un imán, puedes ver cómo levita. Fascinante.

Las implicancias de superconductores a temperatura ambiente en el día a día

La novedad que ofrecía el paper y que se ha intentado por un siglo en la física, es haber construido un superconductor llamado LK-99, que no necesitaría enfriarse a temperaturas muy bajas para que logre la conducción de electricidad sin resistencia. Ese proceso de enfriamiento es muy costoso y poco práctico. Y si realmente se lograra a temperatura ambiente, como proclama el paper, viviríamos en otro mundo.

Como di pistas más arriba, nuestros dispositivos electrónicos no se calentarían y bajaría la cuenta de la electricidad, pero las implicancias son mucho más profundas que eso. En transmisión, materiales superconductores podrían transmitir electricidad sin pérdidas por grandes distancias (hasta 8% de la energía transmitida se pierde en forma de calor).

Pero lo más interesante es la aplicación a la generación de energía. Uno de los problemas de la energía renovable es la poca energía que producen por unidad de volumen. Para abastecer una ciudad con energía eólica se requieren grandes extensiones de tierra. Los superconductores nos ayudarían a hacer más eficiente las tecnologías de energía renovable, produciendo más energía por metro cuadrado.

Más emocionante aún, superconductores con estas características podrían ayudarnos a crear nuevas formas de generación de energía que hasta hora han sido reservadas solo para las estrellas: la fusión nuclear. Para lograr confinar átomos al punto de que se fusionen, se necesitan imanes que generen grandes campos magnéticos que solo son logrables con superconductores.

La energía que libera la fusión de átomos de hidrógeno escala con el campo magnético a la cuarta potencia, lo que significa que si duplicamos el campo eléctrico, obtenemos 16 veces más energía limpia, sin emisión de gases invernaderos. Wow.

Tener superconductores en motores eléctricos mejoraría la potencia por unidad de peso en transporte, haciendo el vuelo eléctrico técnicamente factible.

Hoy el cambio climático es una gran amenaza y 60% de las emisiones de gases efecto invernadero vienen del sector energético de acuerdo a la ONU. La transición a fuentes de energía es muy improbable sin nuevas tecnologías para generar energía limpia. Sería genial que los superconductores de temperatura/presión ambiente llegaran para salvar el día.

Todavía falta que se comprueben los resultados, y aunque a simple vista para el ciudadano de a pie parece fácil de replicar, la doctora en física en materiales Jenniffer Fowlie tiene razón: “Una de mis conclusiones tangenciales sobre esta afirmación del LK-99 SC (el superconductor) es que al público en general parece extrañamente entusiasmado con lo "fácil" que es la síntesis en estado sólido, de varios pasos, en pequeños lotes, y de 4 días. Algunos de ustedes no han tenido ampollas por usar en exceso su mortero y eso se nota”.

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