Il mondo moderno funziona con l’elettricità e i cavi sono ciò che porta quell’elettricità a ogni luce, televisore, sistema di riscaldamento, cellulare e computer del pianeta. Sfortunatamente, in media, circa il 5% dell’energia generata in una centrale a carbone o solare viene persa quando l’elettricità viene trasmessa dalla centrale alla sua destinazione finale. Ciò equivale a una perdita di 6 miliardi di dollari all’anno solo negli Stati Uniti.
Per decenni, gli scienziati hanno sviluppato materiali chiamati superconduttori che trasmettono elettricità con un’efficienza quasi del 100%. Sono un fisico che studia come funzionano i superconduttori a livello atomico, come scorre la corrente a temperature molto basse e come possono essere realizzate applicazioni come la levitazione. Recentemente, i ricercatori hanno compiuto progressi significativi verso lo sviluppo di superconduttori in grado di funzionare a temperature e pressioni relativamente normali.
Per capire perché questi recenti progressi sono così entusiasmanti e quale impatto potrebbero avere sul mondo, è importante capire come funzionano i materiali superconduttori.
Un materiale privo di resistenza
Un superconduttore è qualsiasi materiale che conduce elettricità senza offrire alcuna resistenza al flusso della corrente elettrica.
Questo attributo privo di resistenza dei superconduttori contrasta drammaticamente con i conduttori standard di elettricità, come il rame o l’alluminio, che si riscaldano quando la corrente li attraversa. Questo è simile a far scorrere rapidamente la mano su una superficie liscia rispetto a far scorrere la mano su un tappeto ruvido. Il tappeto genera più attrito e, quindi, anche più calore. I tostapane elettrici e le lampadine a incandescenza vecchio stile utilizzano la resistenza per produrre calore e luce, ma la resistenza può porre problemi all’elettronica. I semiconduttori hanno una resistenza inferiore a quella dei conduttori, ma comunque superiore a quella dei superconduttori.
Un’altra caratteristica dei superconduttori è che respingono i campi magnetici. Potresti aver visto i video dell’affascinante risultato di questo effetto: è possibile far levitare i magneti sopra un superconduttore.
Come funzionano i superconduttori?
Tutti i superconduttori sono fatti di materiali elettricamente neutri, cioè i loro atomi contengono elettroni caricati negativamente che circondano un nucleo con un numero uguale di protoni caricati positivamente.
Se colleghi un’estremità di un filo a qualcosa che è caricato positivamente e l’altra estremità a qualcosa che è caricato negativamente, il sistema vorrà raggiungere l’equilibrio spostando gli elettroni. Questo fa sì che gli elettroni nel filo cerchino di muoversi attraverso il materiale.
A temperature normali, gli elettroni si muovono in percorsi alquanto irregolari. In genere riescono a muoversi liberamente attraverso un filo, ma ogni tanto si scontrano con i nuclei del materiale. Queste collisioni sono ciò che ostacola il flusso di elettroni, causa resistenza e riscalda il materiale.
I nuclei di tutti gli atomi vibrano costantemente. In un materiale superconduttore, invece di svolazzare in modo casuale, gli elettroni in movimento vengono trasmessi da atomo ad atomo in modo tale da rimanere sincronizzati con i nuclei vibranti. Questo movimento coordinato non produce collisioni e, quindi, nessuna resistenza e nessun calore.
Più un materiale diventa freddo, più organizzato diventa il movimento di elettroni e nuclei. Questo è il motivo per cui i superconduttori esistenti funzionano solo a temperature estremamente basse.
Vantaggi per l’elettronica
Se gli scienziati riuscissero a sviluppare un materiale superconduttore a temperatura ambiente, i fili e i circuiti nell’elettronica sarebbero molto più efficienti e produrrebbero molto meno calore. I vantaggi di questo sarebbero diffusi.
Se i fili utilizzati per trasmettere l’elettricità fossero sostituiti con materiali superconduttori, queste nuove linee sarebbero in grado di trasportare fino a cinque volte più elettricità in modo più efficiente rispetto ai cavi attuali.
La velocità dei computer è per lo più limitata dal numero di fili che possono essere inseriti in un singolo circuito elettrico su un chip. La densità dei fili è spesso limitata dal calore disperso. Se gli ingegneri potessero utilizzare fili superconduttori, potrebbero inserire molti più fili in un circuito, portando a un’elettronica più veloce ed economica.
Infine, con i superconduttori a temperatura ambiente, la levitazione magnetica potrebbe essere utilizzata per tutti i tipi di applicazioni, dai treni ai dispositivi di accumulo di energia.
Con i recenti progressi che forniscono notizie entusiasmanti, sia i ricercatori che si occupano della fisica fondamentale della superconduttività ad alta temperatura sia i tecnologi in attesa di nuove applicazioni stanno prestando attenzione a questa nuova possibile opportunità.
Autore
Mishkat Bhattacharya, Rochester Institute of Technology
