Aplicações da Supercondutividade - O skate voador da Lexus

sábado, 8 de agosto de 2015

Os mistérios da supercondutividade



Por Tárcio Fabrício e Ana Beatriz Tuma

Passados cem anos de sua descoberta, fenômeno continua a intrigar os cientistas, prometendo avanços tecnológicos revolucionários

 
Levitação: um dos incríveis fenômenos possibilitados pelos supercondutores.


Em 1911, o holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) descobriu um fenômeno que mudaria o entendimento sobre a resistência elétrica dos materiais. A partir daquele momento, foi possível sonhar com a condução de grandes quantidades de energia sem nenhum tipo de perda. Tinha início a história da supercondutividade. Mas, afinal, por que o fenômeno da supercondutividade chama tanta atenção dos cientistas? Para onde a sua total compreensão e domínio podem nos levar?
       Antes de mergulharmos nas aplicações tecnológicas e nas pesquisas atuais relacionadas à supercondutividade, é necessário compreender como se dá tal fenômeno. Todo e qualquer material apresenta a chamada resistência elétrica. Nos condutores, quando uma corrente elétrica é adicionada, um grande número de elétrons livres começa a se deslocar de maneira desordenada, colidindo entre si e com obstáculos criados pelo próprio material condutor. Assim, boa parte dessa corrente é transformada em calor e dissipada, representando perda de energia, no chamado efeito Joule.
       Já nos supercondutores, a possibilidade de condução de energia sem perdas está relacionada à temperatura do material. Edson Vernek, do Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), conta que mesmo antes da revolucionária descoberta de Onnes já eram conhecidas algumas dessas relações entre temperatura e condutividade elétrica. “Já se sabia que um pedaço de metal, quando está em temperatura alta, possui alta resistividade, isto é, apresenta dificuldade de passar corrente elétrica”, explica.
       Em seus experimentos, Onnes resfriou uma amostra de mercúrio utilizando hélio liquefeito e testou seu comportamento elétrico. Quando o material alcançou a temperatura de 4,2 K (-268,95 ºC), a resistência desapareceu. “Esta foi a grande surpresa, o começo da supercondutividade”, afirma Fabrício Macedo de Souza, também da UFU. “É o que chamamos de temperatura crítica”, explica Vitorvani Soares, do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). “Quando o material é resfriado a temperaturas abaixo desse limiar é que se estabelece o fenômeno da supercondutividade”, completa.
       Entretanto, ainda faltava uma explicação para o fenômeno recém-descoberto por Onnes. Muitos cientistas buscaram essa explicação, como os irmãos alemães Fritz (1900-1954) e Heinz (1907-1970) London – com o chamado modelo de dois fluidos – e os russos Vitaly Ginzburg (1916-2009) e Lev Landau (1908-1968) – com a teoria denominada Ginzburg-Landau. Contudo, o entendimento mais preciso do fenômeno demorou 46 anos para acontecer, a partir dos estudos realizados por John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (1930) e John Robert Schrieffer (1931). A Teoria BCS, como ficou conhecida, explicou o fenômeno a partir da compreensão de como se formam os chamados “pares de Cooper”.


Pares de Cooper

Os pares de Cooper são pares de elétrons que começam a se formar quando os supercondutores são resfriados abaixo da sua temperatura crítica. “Assim, em pares, eles conseguem fluir mais livremente pelo material, sem que percam energia”, conta Evandro Vidor de Mello, do Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense (UFF). Isto porque os pares de Cooper apresentam um comportamento diferente dos elétrons isolados, atuam como partículas de spin inteiro, o que permite que sejam condensados em um mesmo nível de energia.




Modelo das bolas de boliche (fonte: Branício, P. S., 2001.



Com isso, um dos elétrons, em sua passagem pela chamada rede cristalina, cria uma deformação, atraindo para perto de si o outro componente do par. Para compreender esse fenômeno, podemos pensar nesses elétrons como bolas de boliche em um colchão de água: Quando uma das bolas é empurrada para o centro do colchão, a deformação causada na superfície faz com que a segunda bola “role” para junto da primeira.
       Vernek, da UFU, esclarece que os elétrons pareados não estão necessariamente juntos, podendo estar distantes no sistema. “É como em um salão de danças, onde tem muita gente e os casais dançam. Um dos membros do casal pode estar de um lado e, o outro, em um ponto distinto do salão, e eles estão dançando juntos, pois sabem que são os pares.” (Veja aqui o vídeo “A dança da supercondutividade”.)


Caça aos supercondutores

De acordo com a Teoria BCS, que rendeu um prêmio Nobel para seus idealizadores, o fenômeno da supercondutividade seria improvável em materiais com temperaturas acima de 30 K (-243,2 ºC). Porém, em 1986, outra descoberta revolucionária tomou forma com Johannes Bednorz e Karl Müller, que descobriram um supercondutor cerâmico com temperatura crítica de 35 K (-238,2 ºC). A descoberta rendeu aos dois pesquisadores o Prêmio Nobel de Física em 1987, considerado o mais rápido da história.
       Os supercondutores cerâmicos abriram novas perspectivas de pesquisa e permitiram logo em seguida que Paul Chu e sua equipe descobrissem um óxido de ítrio-bário-cobre (YBa2Cu3O7) com temperatura crítica de 92 K (-181,2 ºC). Tal feito revolucionou as possibilidades de aplicação dos supercondutores, uma vez que é possível utilizar nitrogênio líquido – com temperatura de ebulição de 77 K – no resfriamento do material, em vez do hélio líquido, que é muito mais caro. Estava aberta a temporada de caça a novos materiais supercondutores em temperaturas mais elevadas.
       Se por um lado essas descobertas ampliaram a possibilidade de utilização desses materiais, por outro elas criaram novas perguntas para os cientistas, uma vez que a Teoria BCS explica o fenômeno em alguns materiais, mas não pode ser aplicada a outros. Justamente por isso, de acordo com Souza, da UFU, a supercondutividade ainda é uma área em aberto. “Não temos uma teoria que explique o comportamento dos supercondutores cerâmicos, de alta temperatura. Com certeza, o físico que conseguir explicar, também ganhará o Nobel”, conclui.



Peculiaridades

Vitorvani Soares, da UFRJ, revela que o fenômeno da supercondutividade ainda guarda outra característica muito particular: quando um campo magnético é aplicado a um material que encontra-se na fase supercondutora, gera um campo contrário e igual ao aplicado, fazendo com que o campo magnético de seu interior fique nulo. Essa descoberta coube a Walter Meissner (1882-1974) e Robert Ochsenfeld (1901-1993) que, em 1933, observaram que os supercondutores, quando colocados imersos em um campo magnético externo e resfriados abaixo de sua temperatura crítica, são capazes de expelir o campo magnético aplicado, no que ficou conhecido como “Efeito Meissner”. “É exatamente essa propriedade que possibilita a levitação desses materiais”, revela Mello, da UFF.




Transporte mais eficiente: Os MagLevs utilizam supercondutores para levitar, diminuir o atrito e, assim, alcançar altas velocidades.


A presença de um ímã próximo ao material supercondutor induz a formação de correntes na superfície desse material. Essas correntes geram seu próprio campo magnético, fazendo com que o campo do interior do material, quando somado ao campo externo, seja igual a zero. Assim, o campo do ímã é repelido pelo campo gerado na superfície do supercondutor, como se este último atuasse como um espelho refletindo o campo magnético do imã. De acordo com Mello, é esse o efeito que possibilita a criação dos trens do tipo MagLev.
       “Nos MagLevs, você precisa de campos magnéticos intensos. Na base do trilho, você usa bobinas supercondutoras para gerar campos magnéticos intensos. Onde o trem levita, não tem atrito e, sem o atrito, não há perda de energia e o trem pode adquirir altas velocidades”, afirma Souza.
       As características magnéticas dos materiais supercondutores também são distintas de acordo com o seu tipo. Enquanto nos supercondutores do tipo I o efeito Meissner é total, nos do tipo II existe a penetração parcial do campo magnético para dentro do material.
       Outra característica curiosa nessa relação entre supercondutividade e magnetismo é o fato de que quando os materiais supercondutores são expostos a campos magnéticos acima de determinado valor, o chamado campo magnético crítico, eles voltam a ser condutores normais. E, no caso dos supercondutores do tipo II, que apresentam temperaturas críticas mais elevadas, a transição para o estado supercondutor acontece de forma gradual e eles não apresentam o chamado efeito Meissner de forma ideal como os materiais do tipo I.



Tipos de Supercondutores








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