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% 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”1 è stato pubblicato sulla rivista
peer-reviewed Zeitschrift für Physik B il 17 aprile 1986.
Questa 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.
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).
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.
