Skate voador e trens super-rápidos - Por que precisamos de supercondutores? (Hoverboards and super-fast trains – why we need superconductors)

Se os físicos forem capazes de atingir a meta da supercondutividade a temperatura ambiente em um material fácil de moldar em fios, novas e importantes tecnologias surgiriam logo em seguida.

        Os materiais podem ser divididos em duas categorias com base na sua capacidade de conduzir eletricidade. Metais, como cobre e prata, permitem que os elétrons se movam livremente transportando carga elétrica. Isolantes, tais como a borracha ou madeira, mantém seus elétrons com força e não permitem que uma corrente elétrica flua.

Novas técnicas de laboratório para resfriar materiais a temperaturas próximas do zero absoluto (-273 °C) foram desenvolvidas por físicos no começo do século 20, o que deu início a uma investigação sobre como a capacidade de conduzir eletricidade muda em condições tão extremas.

        Em alguns elementos simples, como mercúrio e chumbo, percebeu-se algo notável - abaixo de uma determinada temperatura estes materiais podem conduzir eletricidade sem resistência.

        Nas décadas posteriores a esta descoberta os cientistas encontraram comportamento idêntico em milhares de compostos, de cerâmica à nanotubos de carbono.

        Vamos pensar neste estado da matéria não como um metal ou um isolador, mas uma terceira categoria exótica, um supercondutor.

        Um supercondutor conduz eletricidade perfeitamente, isto significa que uma corrente elétrica em um fio supercondutor continuaria a fluir em círculos por bilhões de anos, nunca se degradando ou se dissipando.

Elétrons na pista rápida

        Em nível microscópico os elétrons em um supercondutor se comportam de forma muito diferente daqueles em um metal normal.

        Pares de elétrons supercondutores se unem, o que lhes permite viajar com facilidade a partir de uma extremidade à outra de um material.

        O efeito é um pouco como uma faixa exclusiva em uma rodovia movimentada. Elétrons individuais ficam presos no trânsito, esbarram em outros elétrons e obstáculos enquanto fazem seu caminho. Elétrons emparelhados, por outro lado, tem prioridade para viajar na pista rápida através de um material, capaz de evitar o congestionamento.

        Supercondutores já possuem aplicações fora do laboratório em tecnologias como a Ressonância Magnética (MRI). Aparelhos de ressonância magnética utilizam supercondutores para gerar um grande campo magnético que dá aos médicos uma forma não invasiva para obter imagem do interior do corpo de um paciente.

Aparelho RMI

Ímãs supercondutores também possibilitaram a recente detecção do bóson de Higgs no CERN, dobrando e focando feixes de partículas em colisão.

Uma propriedade interessante e potencialmente útil dos supercondutores surge quando eles são colocados perto de um ímã forte.

O campo magnético faz com que as correntes elétricas fluam espontaneamente sobre a superfície de um supercondutor, que dão origem à sua própria, contrariando o campo magnético. O efeito é que o supercondutor levita acima do ímã, suspenso no ar por uma força magnética invisível.

        O que impede uma utilização mais generalizada destes materiais é o fato de que os supercondutores só operam em temperaturas muito baixas.

        Nos elementos simples, por exemplo, a supercondutividade desaparece em apenas 10 K, ou -263 °C. Em compostos mais complexos, como o óxido de ítrio bário cobre (YBa₂Cu₃O₇), a supercondutividade pode persistir a temperaturas mais elevadas, até 100 K (-173 °C).

        Embora isso seja uma melhoria em relação aos elementos simples, ainda é muito mais frio do que a noite mais fria do inverno na Antártida.

        Cientistas sonham em encontrar um material que as propriedades supercondutoras possam ser usadas em temperatura ambiente, mas é uma tarefa desafiadora.

        O aumento da temperatura tende a destruir a cola que une os elétrons em pares supercondutores, o que, em seguida, leva o material de volta ao seu estado metálico chato. Um dos grandes desafios é o fato de que nós ainda não entendemos muito sobre esta cola, exceto em alguns casos limitados.

De superátomo para o supercondutor

Uma nova pesquisa da Universidade do Sul da Califórnia deu um novo passo no sentido de melhorar a nossa compreensão de como a supercondutividade surge.

        Em vez de estudar a supercondutividade em amostras volumétricas grandes, como fios, Vitaly Kresin e seus colaboradores conseguiram isolar e examinar pequenos aglomerados de algumas dezenas de átomos de alumínio de cada vez.

Estes pequenos aglomerados de átomos podem atuar como um “superátomo”, compartilhando elétrons de uma maneira que imita um único átomo gigante.

        O que é surpreendente é que as medições destes clusters revelam o que pode ser a assinatura do emparelhamento do elétron persistindo por todo o caminho até 100 K (-173 °C).

        Esta temperatura ainda é muito baixa, mas é 100 vezes maior do que a temperatura supercondutora de um pedaço de fio de alumínio.

        Por que um pequeno punhado de átomos superconduz a uma temperatura muito mais elevada do que os milhões de átomos que formam um fio?

        Os físicos têm algumas ideias, mas o efeito é muito pouco explorado, e poderia revelar-se uma forma interessante de evolução na busca da supercondutividade em altas temperaturas.

Trem MagLev

        Com a supercondutividade em temperatura ambiente, os dispositivos que usam eletricidade se tornariam consideravelmente mais eficientes e consumiriam menos energia. O transporte de eletricidade por longas distâncias se tornaria muito mais fácil, o que é particularmente útil para aplicações de energias renováveis ​​- e alguns propuseram cabos supercondutores gigantes que ligariam a Europa com fazendas de energia solar no norte da África.

        O fato de que os supercondutores levitam acima de um ímã forte também cria possibilidades eficientes, trens de ultra-alta velocidade que flutuam acima de uma faixa magnética, muito parecido com prancha de Marty McFly em “De Volta para o Futuro”.

        Engenheiros japoneses experimentaram a substituição das rodas de um trem com grandes supercondutores que seguram as carruagens alguns centímetros acima da pista.

        A ideia funciona, em princípio, mas sofre do fato de que os trens precisam levar tanques dispendiosos de hélio líquido com eles, a fim de manter frios os supercondutores.

        Muitas tecnologias de supercondutores irão provavelmente permanecer na prancheta, ou muito caras para implementar, a menos que um supercondutor a temperatura ambiente seja descoberto.

        É apenas possível que os avanços feitos pelo grupo de Kresin pode marcar esta jornada.

Fonte: http://mybroadband.co.za/news/general/121118-hoverboards-and-super-fast-trains-why-we-need-superconductors.html