Superconductores

El nombre ya inspira un: Dios, ¡como debe molar!
Pues si que mola la verdad y es que la superconductividad es uno de los hitos de la física bastante importante y útil en su medida: algunos modelos de trenes de levitación magnética, o maglev, emplean esta física para levitar y permitirles así circular a altas velocidades, limitadas sólo por la resistencia del aire a su avance.

El grupo de superconductividad de la Universidad de Tel Aviv, dirigido por el profesor Guy Deutscher, dedica parte de su tiempo de investigación a una acción muy loable: hacer la física de los superconductores accesible a jóvenes y adultos a través de la explicación de fenómenos únicos como la levitación/captura cuántica.

Un vídeo demostrativo:

Pero primero hablemos de la superconductividad.

• ¿QUE ES LA SUPERCONDUCTIVIDAD?

– La superconductividad es la capacidad que tienen ciertos elementos de conducir carga eléctrica sin someter resistencia alguna y sin pérdidas de energía. La gracia está en que a menor temperatura, mayor conductividad tiene este y por tanto menor resistencia, así que preparaos para pasar mucho frío…
Por el anterior motivo, los materiales superconductores a diferencia de un trozo de cobre, disponen de una temperatura crítica a partir de la cual disminuye drásticamente la resistencia al paso de corriente eléctrica hasta llegar a 0.
Imaginad que disponéis una barra de material superconductor (llamado de momento x) y le dais corriente. Esa corriente fluirá en espiral indefinidamente sin fuente de alimentación por la barra. ¡INDEFINIDAMENTE!

Como no, la superconductividad es un fenómeno asociado a la mecánica cuántica y ocurre por ejemplo en metales como el estaño y en el aluminio; no en metales nobles como el oro y la plata.

• SUPERCONDUCTIVIDAD Y MAGNETISMO

– Para que se entienda bien, estos dos de arriba son como una pareja de divorciados, que no se tragan vamos. Tanto es que se odia que los materiales superconductores presentan la característica de ser diamagnéticos; que dicho en cristiano vendría a ser el efecto de repulsión de un material frente un imán, conocido también como Efecto Meissner:

El efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica. Fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 midiendo la distribución de flujo en el exterior de muestras de plomo y estaño enfriados por debajo de su temperatura crítica en presencia de un campo magnético.

Pensad en los imanes de la nevera. El metal de la nevera es ferromagnético (se siente seducido/atraído por el imán) justo lo opuesto a los anteriores materiales diamagnéticos.

• TIPOS DE SUPERCONDUCTORES

No entraré en muchos más detalles, simplemente comentar que hay dos tipos de superconductores: los de Tipo I y los de Tipo II (no solo los informáticos son simplistas en el momento de colocar nombres a las cosas).
Los de Tipo I no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo, en cambio los Tipo II son superconductores imperfectos, en el sentido que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. (de aquí no paso, prometido)

• SUPERCORRIENTES ELÉCTRICAS

Las bombillas reciben electrones en la espiral metálica del centro produciendo luz y generando calor (desperdicio de energía por el Efecto Joule).

– Os podéis imaginar que del mismo modo que afecta a los campos magnéticos, la superconductividad hace lo suyo en los eléctricos. Las supercorrientes son canalizaciones de electrones que no obedecen el principio de disipación de energía de Joule (abro paréntesis)

Se conoce como efecto Joule al fenómeno en que los electrones que circulan por un conductor transforman su energía cinética en calor debido a los choques entre estos electrones con los átomos del conductor, aumentando la temperatura del material. Podéis pensar en el cargador de la batería del móvil/mp4/…/, ¿verdad que se calienta con el paso del tiempo cuando lo conectáis a la corriente (y el móvil/mp4/…/ conectado al cargador, para cerrar el circuito) ?

(cierro paréntesis) evitando así la perdida de energía y promoviendo un eterno movimiento de electrones, por tanto infinita corriente eléctrica (me da miedo usar el concepto infinito …). Al tener este «pepino» corriente eléctrica se induce un fuerte campo magnético que promueve la aparición del anterior comentado Efecto Meissner (diamagnetismo, provocando la levitación de dicho material sobre el imán).

El material superconductor (moneda) levita a causa del efecto Meissner. El humo corresponde al nitrógeno líquido usado para enfriar el material.

• LIMITACIONES

– Existe una que a mi se me antoja un tanto obvia. Si le das grandes cantidades de corriente (electrones) al material superconductor, te permitirá transmitir energía sin gasto energético; pero ciertamente hay un «tope» de electrones superconductores y por tanto se limita la cantidad de corriente soportada por el material. Se infiere la existencia del concepto de corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y genera calor por culpa del Efecto Joule.

• SI YA, PERO EN LA PRACTICA …

– Es probable que conozcáis el LHC (Large Hadron Collinder [Gran Colisionador de Hadrones]) del CERN en Suiza. Este monstruo de la física (ni más ni menos que 27 km de diámetro) capacitado para crujir cualquier partícula entre otra para observar el comportamiento de la materia en ciertas condiciones, así como estudiar el Big Bang; dispone de unos Cables Rutherford superconductores con las siguientes especificaciones:

Los cables están formados por 36 hilos, cada uno de los cuales tiene exactamente un diámetro de 0.825mm. A su vez, cada hilo de los anteriores está constituido por 6500 filamentos superconductores de Niobio-Titanio (47% de Ti).

36 hilos · 6.500 filamentos = 234.000 filamentos de Ni-Ti

Cada filamento tiene un espesor de 0.006mm, es decir, 10 veces más canijo que un pelo de tu cabeza (si es que tienes, y si no pues de donde los tengas). Alrededor de cada filamento hay una capa de 0.0005mm de cobre de alta pureza.
En total, este «bicharraco» de cable superconductor supone 1200 toneladas (1.200.000 Kg) y 7.600 Km de longitud. Ahí va un dato estremecedor: Si consideramos los hilos y filamentos todo junto, hablaríamos de una longitud de 1.500 millones de Km (1.500.000.000 Km), suficiente para ir y volver 5 veces al Sol y aún te sobraría cable para viajar un par de veces a la Luna.

Claro que esto no es que sea del todo común, pero quizás si que lo sea más el TAC que te hace la resonancia magnética en el hospital, o bien el maglev; el tren que se desplaza por levitación magnética en Japón.

• TREN DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA (EL MAGLEV)
  

– No puedo pasar por alto esta maravilla tecnología, ya me disculpareis en otro momento.
El Maglev es una maravilla de vehículo que se desplaza sin la necesidad de unas ruedas ni unos propulsores de combustión o impulso (como las «spaceships«), lo hace mediante gran cantidades de imanes propulsando mediante campos magnéticos al tren.

La tecnología de levitación magnética tiene el potencial de superar 6.400 km/h (4.000 mph) si se realiza en un túnel al vacío. Cuando no se utiliza un túnel al vacío, la energía necesaria para la levitación no suele representar una gran parte de la necesaria, ya que la mayoría de la energía necesaria se emplea para superar la resistencia del aire, al igual que con cualquier otro tren de alta velocidad.

Si ya, ya, claro pero… ¿A que velocidad podemos ir por ahora con el Maglev si nos vamos a Shangai?
Haced una porra …
En 2003 se registró ni más ni menos que 581 Km/h, aunque la velocidad normal de crucero está sobre los 430 Km/h (no es moco de pavo).