La superconductividad, ¿por qué despierta tanto interés?

DENTRO de un pequeño recipiente hay una bola de un material negro del tamaño de un botón pequeño. Encima de la bola descansa una pieza de metal aún más pequeña. Poco a poco, el joven estudiante derrama con cuidado en el recipiente un líquido humeante. Todos los que están alrededor de la mesa observan con gran interés.

Al principio, el líquido produce una violenta efervescencia cuando se pone en contacto con el recipiente. Pronto todo vuelve a la normalidad y la efervescencia se detiene. Entonces, la pequeña pieza de metal empieza a trepidar como en un pequeño baile. De repente, ¡comienza a elevarse de la bola y se queda flotando en el aire! El estudiante toma un aro de alambre y lo pasa por debajo de la pieza de metal. No hay truco, ¡la pieza está levitando!

Ese fue un experimento de superconductividad realizado por un grupo de estudiantes en una escuela de segunda enseñanza de California. Tan solo uno o dos años atrás, un experimento como este únicamente podía realizarse en laboratorios de investigación avanzada con equipo sofisticado e importantes subvenciones. El que alumnos de segunda enseñanza lo hagan hoy es indicación de la rapidez con la que se está avanzando en este campo.

El pasado mes de mayo la revista Time dedicó su artículo principal al tema “Los superconductores: el asombroso adelanto que puede cambiar nuestro mundo”. La revista Newsweek los llamó “una nueva revolución eléctrica”. La revista Life publicó el artículo “Física veloz”, dando a entender lo rápidamente que se está avanzando en ese campo. Pero, ¿qué es la superconductividad? ¿Y por qué suscita tanto interés?

Un ideal buscado desde hace tiempo

La conductividad, por definición, es la mayor o menor facilidad con que las sustancias conducen el calor y la electricidad. La mayoría de nosotros sabe que materiales como el vidrio y la porcelana no son conductores de electricidad. Por otra parte, los metales como el cobre, el oro y el platino son buenos conductores, porque ofrecen una resistencia relativamente pequeña a la corriente que pasa por ellos. La superconductividad, pues, es la ausencia total de resistencia en una sustancia al paso de la electricidad, ese estado ideal en el cual la electricidad fluye sin estorbo y sin ninguna pérdida.

Desde hace ya mucho tiempo, los científicos se han dado cuenta de las grandes posibilidades que tendría este material ideal: el superconductor. Por ejemplo: las líneas eléctricas hechas de superconductores eliminarían no solo la enorme pérdida de energía debida a la resistencia de los cables convencionales, sino también los costosos tendidos eléctricos que tanto afean el paisaje. El uso de superconductores haría posible construir superordenadores de pequeño tamaño que podrían funcionar a velocidades hasta ahora inalcanzables. Las singulares propiedades magnéticas de los superconductores podrían llevar a una nueva generación de potentes electroimanes que hicieran viables algunos aparatos experimentales, como escáneres médicos, trenes suspendidos de alta velocidad, aceleradores gigantes de partículas e incluso la energía de fusión.

Sin embargo, fascinante como todo esto pueda parecer, existe un inconveniente. Por más de setenta y cinco años los científicos han sabido que ciertos metales son superconductores, pero solo cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas, cientos de grados bajo cero. Fue en 1911 cuando un científico holandés, Heike Kamerlingh Onnes, tropezó por primera vez con la senda de los superconductores. Habiendo inventado una técnica para licuar el gas helio, por la que se le concedió el Premio Nobel en 1913, estaba investigando el efecto de las bajas temperaturas en varios metales. Inesperadamente, descubrió que el mercurio pierde toda la resistencia eléctrica a unos 269 °C bajo cero, o 4 K, cuatro grados por encima de lo que los científicos llaman cero absoluto en la escala Kelvin.a

Aunque la superconductividad se descubrió por accidente, pronto se reconoció su valor. Sin embargo, la temperatura extremadamente baja —llamada de transición o crítica— a la cual el material se hace superconductor, suponía un serio problema. El alto coste y la complejidad de trabajar a tales temperaturas bajas limitaba su valor práctico. En las siguientes décadas, los científicos experimentaron con otros materiales con la confianza de encontrar algo que pudiera convertirse en superconductor a temperaturas más altas. Pero el progreso sería lento.

No obstante, al cabo de los años se descubrieron otras propiedades de los superconductores. Una de las más importantes, descubierta en 1933, es que un superconductor colocado en un campo magnético no permite que pase a través de él ningún flujo magnético, sino que lo rechaza o es rechazado por él. Este fenómeno, llamado efecto de Meissner, produce la levitación, como se demostró en el mencionado experimento de la escuela secundaria. Este descubrimiento hizo que se siguiera investigando la superconductividad a temperaturas más altas. Pero el progreso aún era muy lento. Tan recientemente como en 1973, lo mejor que se había descubierto era una cierta aleación metálica que era superconductora a 23 K, o -250 °C, una temperatura todavía demasiado baja para ser práctica. Y durante los siguientes doce años, las cosas continuaron más o menos igual.

¡Elevación de la temperatura!

Se produjo un nuevo giro en los acontecimientos cuando dos científicos del laboratorio de investigación de IBM de Zurich (Suiza) pensaron que la razón por la cual otros investigadores no estaban consiguiendo mucho era porque estaban trabajando con los materiales indebidos. Hasta aquel tiempo la mayor parte de la investigación se dedicaba a metales y aleaciones. “Estaba convencido de que no se podía progresar más en esa dirección”, dijo Alex Müller, uno de los dos científicos.

Müller y su compañero, Georg Bednorz, empezaron a experimentar con óxidos metálicos en 1983. Para 1986 habían conseguido el primer gran adelanto en muchos años: la superconductividad a 35 K, o -238 °C, usando un compuesto de bario, lantano, cobre y oxígeno. Cuando finalmente se publicó la noticia, en septiembre de 1986, esta tomó por sorpresa a la comunidad científica. El material usado por los científicos en el laboratorio suizo, un tipo de cerámica, normalmente era aislante, y nadie hubiera sospechado que este iba a ser el mayor adelanto de las últimas décadas.

Las marcas se sucedieron con rapidez. Para febrero de 1987, un equipo dirigido por C. W. Chu, de la universidad de Houston, descubrió que un material se hacía superconductor a lo que para entonces era una marca de 93 K, o -180 °C, cuando se sustituía el lantano de la mezcla de Müller por itrio, otro de los llamados elementos raros.

Este logro abría un nuevo capítulo en la superconductividad a alta temperatura. Hasta este punto, se tenía que utilizar helio líquido para conseguir en los materiales que se estudiaban las bajas temperaturas requeridas, un proceso muy caro y complicado. Con este nuevo descubrimiento, el enfriamiento ahora podía hacerse con nitrógeno líquido, que se licúa a 77 K, o -196 °C. El nitrógeno líquido puede conseguirse con facilidad, cuesta aproximadamente tanto como la leche y puede manejarse sin necesidad de un equipo complicado. Estos factores, junto con la fácil producción de los óxidos y su bajo precio, dieron un nuevo empuje a la investigación de la superconductividad.

Por supuesto, la meta que se persigue es un superconductor a temperatura ambiente, eliminando de ese modo cualquier necesidad de enfriamiento, y esto es lo que están tratando de conseguir científicos de todo el mundo. Ya han empezado a aparecer informes de “rastros fugaces” de superconductividad a temperatura ambiente.

Para finales de mayo de 1987, Chu y su equipo habían mejorado su propia marca. Encontraron una pequeña parte de un espécimen que se hacía superconductor a 225 K o -48 °C, pero solo de modo intermitente. “Uno puede observarlo una vez —dijo Pei-Heng Hor, miembro del equipo—, después desaparece y vuelve a aparecer.” Otro equipo, de la universidad de California, en Berkeley, informó de la presencia de superconductividad a 292 K, o -19 °C, en un material con el que estaban trabajando, pero no pudieron repetir el resultado.

¿Nos encontramos a las puertas de la edad de oro?

Todas estas interesantes noticias sobre los superconductores han dado a mucha gente la impresión de que nos encontramos al umbral de una nueva era, una nueva edad de oro tecnológica. Dicen que nuestra vida está a punto de cambiar, como lo hizo en el pasado con la invención de la luz eléctrica y el transistor. ¿Están todas las cosas maravillosas que los superconductores supuestamente van a hacer posibles justo a la vuelta de la esquina?

Para empezar, “tendrá que obtenerse una comprensión científica básica mucho más completa antes de que se pueda utilizar ampliamente la superconductividad”, observó el director del U.S. National Science Foundation, Erich Bloch. Los científicos aún no entienden bien por qué los materiales de cerámica sintéticos reaccionan como lo hacen.

Debido a esto, muchos expertos piensan que aún tienen que pasar años antes de que los superconductores puedan dejar los laboratorios y se les dé un uso práctico. “Las posibilidades de estos materiales son grandes, pero los tiempos que la prensa ha divulgado están equivocados —dice un investigador del National Bureau of Standards—. Aún tendrán que pasar cinco años antes de que los veamos en finas películas en los ordenadores, y hasta veinte años antes de que los veamos en aplicaciones generalizadas.”

Un obstáculo es el hecho de que los materiales superconductores de alta temperatura no son maleables como los metales. Estos materiales son quebradizos y no se pueden doblar fácilmente, como sabe cualquiera a quien se le haya caído al suelo un plato de cerámica o porcelana. Pero para que los superconductores puedan usarse en aplicaciones prácticas, deben poder fabricarse cables y películas de esos materiales. Por ejemplo: para los ordenadores y circuitos integrados electrónicos, tendrían que fabricarse en películas de tan solo fracciones de micra de grosor. Los motores y los imanes requieren cables delgados y flexibles en sus bobinados, y los tendidos eléctricos deben ser fuertes y flexibles.

Lo que aún complica más las cosas es que los científicos no están seguros de si los materiales superconductores son capaces de soportar las altas tensiones o campos magnéticos que en muchos casos se requerirían. Todos los superconductores pierden su superconductividad al sobrepasar cierto punto crítico. Por el momento, este punto es relativamente bajo. Es posible que todos esos problemas tengan solución, pero no en un futuro cercano.

Hay todavía otra vertiente más siniestra en este tema. Ya se está hablando de usar superconductores en armamentos de haces energéticos o de partículas para la guerra espacial. ¿Se convertirá la superconductividad en la bendición que todos preconizan y esperan, o va a convertirse en lo mismo que otros inventos revolucionarios del pasado, como la pólvora y la fisión nuclear? Esta es una pregunta que, al parecer, nadie está preparado para responder.

[Nota a pie de página]

[Reconocimiento en la página 19]

Investigación de IBM

[Recuadro en la página 21]

Las posibilidades de los superconductores

“Prácticos superconductores enfriados por nitrógeno podrían ahorrar miles de millones a las compañías eléctricas y ahorrar suficiente energía como para deshacerse de cincuenta o más centrales eléctricas”, dice la revista Business Week. El uso de generadores y tendidos eléctricos superconductores podría hacer posible que más centrales eléctricas de gran potencia estuvieran más lejos de las ciudades, lo cual podría reducir la contaminación, el coste y el peligro.

Los imanes superconductores de bajo peso podrían hacer viables los trenes de levitación magnética, que son capaces de alcanzar velocidades de hasta 480 kilómetros por hora. Los automóviles eléctricos, propulsados por eficaces motores superconductores, podrían reducir la contaminación del aire en las ciudades. Incluso los barcos podrían ser propulsados por tales motores.

Ya se están desarrollando microchips superconductores que son mil veces más rápidos que los transistores de silicio. Con estos chips los ordenadores del futuro no solo serán más rápidos, sino que, al reducir de modo importante el calor producido, también van a ser mucho más pequeños. Los ordenadores personales serán tan potentes como los grandes ordenadores actuales.

Los NMR (escáneres de resonancia magnética nuclear) y los SQUID (aparatos superconductores de interferencia cuántica) son máquinas que pueden penetrar en el cuerpo humano y detectar las ondas del cerebro. Los superconductores pueden reducir el coste y la complejidad de esas máquinas, haciendo posible de este modo que incluso los hospitales y clínicas normales dispongan de ellas.

Las posibilidades de los superconductores son grandes. ¿Cuántas se materializarán?