O que é a supercondutividade e quando teremos trens levitando e energia elétrica ilimitada? (What is superconductivity, and when will we all get maglev trains and unlimited electrical power?)

A supercondutividade é um desses conceitos - como o spin do elétron ou a dilatação do tempo - que parece um tanto esotérico, mas que, se dominado por meio da tecnologia, pode revolucionar o mundo. É um fenômeno utilizado em várias aplicações, mas a capacidade de criá-lo em ambientes menos hospitaleiros poderia ser a chave para trazer muitos dos sonhos de ficção para a realidade.

       Simplificando, a supercondutividade é a propriedade de resistência nula ao movimento dos elétrons. Isto significa que se nós bombearmos um pouco de eletricidade em um loop supercondutor fechado, esse ciclo manteria sua carga eternamente. Os elétrons nunca perderiam sua energia por resistência, interferência magnética ou calor.

       Contudo, há um grande problema: todos os supercondutores conhecidos atualmente tem que ser ativamente mantidos nesse estado, ou seja, devemos mantê-los abaixo de uma determinada temperatura, e muitas vezes complementar isso aplicando um campo magnético. Os limites de temperatura são incrivelmente baixos, e, portanto, incrivelmente caros de manter. O alumínio, por exemplo, tem um limite de 1,2 K, ou -271,95 °C.

Uma amostra do material supercondutor: óxido de cobre, bismuto, cálcio e estrôncio (BSCCO-2223 - Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x)

A física envolvida ou é muito simples ou bastante complexa, dependendo do material. Em metais puros ou ligas de metais simples, a supercondutividade acontece, basicamente, quando os átomos do material são resfriados ao ponto em que os elétrons não são espalhados à medida que se movem através do metal. Materiais mais complexos, alguns dos quais podem atingir a supercondutividade acima de temperaturas criogênicas, tem a ver com interações transientes entre pares de elétrons. Isto significa que o loop infinito só pode existir se nós gastarmos quantidade significativa de energia para manter o loop no estado supercondutor.

       As aplicações atuais dos supercondutores são todas limitadas por seus requisitos de temperatura. Máquinas de ressonância magnética são incrivelmente caras, em grande parte porque exigem substâncias exóticas como o hélio líquido para resfriar as bobinas ao ponto em que elas devem conduzir eletricidade suficiente para criar fortes campos magnéticos necessários para reorientar as moléculas do corpo humano. Grande parte da despesa do Large Hadron Collider vem da mesma fonte. Até a investigação sobre o uso da energia da fusão nuclear está sendo retardada pela despesa e dificuldade de criar enormes plataformas magnéticas para o confinamento do plasma.

Primeiro cabo supercondutor do mundo.

É por isso que o Santo Graal não é a supercondutividade, mas a supercondutividade de alta temperatura ou à temperatura ambiente. O limiar de “alta temperatura” é tecnicamente em torno de 30K para supercondutores convencionais. Se pudéssemos arrefecer um material supercondutor a 29K com facilidade, então 29K seria uma temperatura elevada para os nossos propósitos.

       Com material supercondutor acessível e prático o suficiente, podemos enviar nossos elétrons através do Atlântico. Poderíamos transformar linhas de trânsito municipais em trens-bala de levitação magnética. Hospitais poderiam ter mais aparelhos de ressonância magnética. Em geral, poderia permitir a aplicação em grande escala de tecnologias anteriormente possível apenas em pequena escala, ou em laboratórios especiais bem financiados.

Trens maglev seriam a escolha lógica em quase todos os casos, se não fossem proibitivamente tão caros.

Atualmente não estamos nem perto desses limites. Os melhores supercondutores já criados, os cupratos, demandam refrigeração a -140 °C, e são difíceis e caros de produzir. Isso não quer dizer que não tenha havido sucesso. Considerando a eficiência elétrica simples, que representa uma perda de cerca de 6% na transmissão de energia, a cidade alemã de Essen recentemente instalou um cabo supercondutor de quilômetros de extensão para a transferência de energia da rede. Este cabo utiliza nitrogênio líquido para atingir uma temperatura de funcionamento de 60K, ou -206 °C. O uso de nitrogênio líquido para resfriamento faz com que seja pelo menos um pouco acessível, mas precisamos melhorar muito para começar a pensar em substituir a infraestrutura elétrica de todo o mundo.

Um diagrama do funcionamento interno do cabo supercondutor em Essen, Alemanha.

  

       A supercondutividade é uma importante área de pesquisa para acadêmicos e cientistas industriais, mas é provável que uma solução seja encontrada primeiro no quadro negro e depois no laboratório.

Fonte: http://www.extremetech.com/extreme/208651-what-is-superconductivity