La storia di questa intuizione da premio Nobel e le applicazioni attuali
Venticinque anni fa, gli scienziati IBM J. Georg Bednorz e K. Alex Müller hanno cambiato il panorama della fisica quando hanno osservato la superconduttività in un materiale ossido, a una temperatura del 50 percento superiore (-238 °C, -397 °F) rispetto a quella precedentemente conosciuta. Questa scoperta ha aperto un capitolo totalmente nuovo nel campo e ha valso agli scienziati il Premio Nobel per la Fisica nel 1987.
Il loro studio intitolato “Possible High Tc Superconductivity in the Ba – La – Cu – O System” è stato pubblicato sulla rivista peer-reviewed Zeitschrift für Physik B il 17 aprile 1986.
Questa eccezionale scoperta di nuova classe di materiali, in precedenza abbandonati, ha creato un gran fervore di attività tra i fisici, che hanno immaginato nuove ed entusiasmanti applicazioni nella tecnologia della misurazione, nell’elettrotecnologia e nella microelettronica.
La superconduttività compie 100 anni
La superconduttività è stata scoperta nel 1911 da Heike Kamerlingh Onnes, un fisico olandese, e ancora oggi è uno dei fenomeni più eclatanti che si verificano nella fisica.
Ha luogo quando alcuni metalli, come stagno o piombo, vengono raffreddati a una temperatura nell’intervallo di alcuni gradi dallo zero assoluto -273,15 °C, (-459,67 °F). Per rendere l’idea, la temperatura più fredda mai registrata sulla terra è -85 °C (-121 °F).
Quando ciò accade, una corrente elettrica può fluire perfettamente attraverso il materiale, con resistenza zero, quindi senza perdita di energia sotto forma di calore. All’epoca, gli scienziati ne ipotizzavano già l’uso per la trasmissione dell’elettricità.
Un test chiave per osservare la superconduttività nei materiali è denominato effetto Meissner. Nella conduzione del test, gli scienziati raffreddano il materiale fino al suo stato di superconduttore, a basse temperature, e quindi applicano un campo magnetico. Le linee di campo di un magnete portato in prossimità vengono poi espulse dal superconduttore, provocandone la levitazione al di sopra del materiale superconduttore. L’effetto viene studiato da diversi decenni per la realizzazione di treni a levitazione, efficienti dal punto di vista energetico.
La scoperta e il fermento di attività
Per più di 75 anni la maggior parte degli scienziati aveva solo sognato di trovare un materiale che rimanesse superconduttore al di sopra di -253,15 °C (-423,67 °F) e per tutto questo periodo i progressi sono stati lenti. Anche quando sono stati scoperti nuovi materiali – i più promettenti sono i metalli – le temperature erano migliorate solo di una frazione di grado.
Poi, nel 1983, gli scienziati IBM Bednorz e Müller si sono concentrati sugli ossidi, che comprendono il rame e uno o più dei metalli terrosi rari. La loro idea rivoluzionaria è stata quella di far trasportare agli atomi di rame gli elettroni, che interagiscono più fortemente con il cristallo circostante rispetto a quanto avviene nei normali conduttori elettrici. Per ottenere un materiale chimicamente stabile, i due scienziati hanno aggiunto il bario ai cristalli o ossido lantanio-rame per produrre un materiale ceramico, diventato poi il primo superconduttore ad alta temperatura di successo. La loro scoperta ha creato un grandissimo inteeresse da parte degli scienziati di tutto il mondo. L’attività ha raggiunto il suo apice al Congresso della American Physical Society, tenutosi a New York City dal 16 al 20 marzo 1987. Poi soprannominata la “Woodstock della fisica”4 dai partecipanti, la sessione-fiume ha visto più di 50 scienziati presentare le proprie scoperte di materiali di nuova formulazione, in grado di raggiungere temperature nettamente superiori a quelle precedenti, tutti risultati ottenuti grazie alla scoperta di Bednorz e Müller.
Applicazioni attuali
La scoperta della superconduttività ad alta temperatura è applicata e testata attualmente in diversi scenari, ma siamo ancora lontani anni da un’adozione estesa.
• Stanno iniziando ad essere adottati in tutto il mondo cavi di alimentazione che utilizzano un filo superconduttore ad alta temperatura (HTS) della American Superconductor (AMSC). Nel 2008, il primo e più lungo cavo HTS è stato installato a Long Island, New York e attualmente trasmette fino a 574 MW di elettricità, sufficienti ad alimentare 300.000 abitazioni. Negli Stati Uniti sud-occidentali, è attualmente in corso il Progetto Tres Amigas per collegare le tre reti elettriche americane e creare il primo hub del mercato dell’energia rinnovabile della nazione.
• Nel settore della lavorazione dei metalli, grandi macchine chiamate forni di riscaldamento di billette usano l’elettricità per riscaldare i metalli a 1.100 °C (2.012 °F), per addolcirli prima della lavorazione. Utilizzando l’HTS, l’azienda tedesca Bültmann GmbH, in collaborazione con Zenergy Power, ha sviluppato un forno di riscaldamento di billette magnetico che ha un’efficienza dell’80 percento, risparmiando l’equivalente di 800 barili di petrolio l’anno.
• L’acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider) del CERN utilizza 1.232 magneti dipolari, ciascuno composto da filo superconduttore, per manovrare trilioni di protoni che viaggiano al 99,9999991% della velocità della luce.
• Gli scanner di imaging a risonanza magnetica (MRI), che si trovano ormai in quasi tutti gli ospedali del mondo, usano piccole bobine magnetiche superconduttrici per produrre un campo magnetico rotante, che crea poi immagini dettagliate del corpo umano.
• I treni a levitazione magnetica (Maglev), attualmente testati in Asia, utilizzano magneti posti sul veicolo che determinano la levitazione del treno sulle rotaie di acciaio, con un risultato di maggiore efficienza energetica e maggiore velocità. I test iniziali dei treni Maglev in Giappone hanno registrato velocità di 581 chilometri orari (361 mph).
