El calor residual está a tu alrededor. A pequeña escala, si su teléfono o computadora portátil se calientan, eso se debe a que parte de la energía que alimenta el dispositivo se está transformando en calor no deseado.

A mayor escala, redes eléctricas, como líneas de alta tensión, pierden más del 5% de su energía en el proceso de transmisión. En una industria de energía eléctrica que generó más de US $ 400 mil millones en 2018, eso es una enorme cantidad de dinero desperdiciado.

Globalmente los sistemas informáticos de Google, Microsoft, Facebook y otros requieren enormes cantidades de energía para alimentar enormes centros de datos y servidores en la nube. Aún más energía, para alimentar sistemas de refrigeración por agua y aire, Se requiere para compensar el calor generado por estas computadoras.

¿De dónde viene este calor desperdiciado? Electrones. Estas partículas elementales de un átomo se mueven e interactúan con otros electrones y átomos. Porque tienen carga eléctrica, a medida que se mueven a través de un material, como los metales, que pueden conducir electricidad fácilmente, dispersan otros átomos y generan calor.

Los superconductores son materiales que abordan este problema al permitir que la energía fluya de manera eficiente a través de ellos sin generar calor no deseado. Tienen un gran potencial y muchas aplicaciones rentables. Operan trenes de levitación magnética, generan campos magnéticos para máquinas de resonancia magnética y recientemente se han utilizado para construir computadoras cuánticas, aunque todavía no existe uno en pleno funcionamiento.

Pero los superconductores tienen un problema esencial cuando se trata de otras aplicaciones prácticas:operan a temperaturas ultrabajas. No hay superconductores a temperatura ambiente. Esa parte de la "temperatura ambiente" es en la que los científicos han estado trabajando durante más de un siglo. Miles de millones de dólares han financiado investigaciones para resolver este problema. Científicos de todo el mundo incluyéndome a mí, están tratando de comprender la física de los superconductores y cómo se pueden mejorar.

Entendiendo el mecanismo

Un superconductor es un material, como un metal puro como el aluminio o el plomo, que cuando se enfría a temperaturas ultrabajas permite que la electricidad se mueva a través de él con una resistencia absolutamente nula. Cómo un material se convierte en superconductor a nivel microscópico no es una cuestión sencilla. La comunidad científica tardó 45 años en comprender y formular una teoría exitosa de la superconductividad en 1956.

Mientras que los físicos investigaban la comprensión de los mecanismos de la superconductividad, los químicos mezclaron diferentes elementos, como el niobio y el estaño de metales raros, y recetas probadas guiadas por otros experimentos para descubrir superconductores nuevos y más fuertes. Hubo progreso pero sobre todo incremental.

Simplemente pon, La superconductividad ocurre cuando dos electrones se unen a bajas temperaturas. Forman el bloque de construcción de los superconductores, la pareja Cooper. La física y la química elementales nos dicen que los electrones se repelen entre sí. Esto es válido incluso para un superconductor potencial como el plomo cuando está por encima de cierta temperatura.

Cuando la temperatura desciende hasta cierto punto, aunque, los electrones se vuelven más susceptibles de emparejarse. En lugar de que un electrón se oponga al otro, emerge una especie de "pegamento" para mantenerlos unidos.

Manteniendo la materia fresca

Descubierto en 1911, el primer superconductor fue el mercurio (Hg), el elemento básico de los termómetros pasados ​​de moda. Para que el mercurio se convierta en un superconductor, tenía que enfriarse a temperaturas ultrabajas. Kamerlingh Onnes fue el primer científico que descubrió exactamente cómo hacerlo:comprimiendo y licuando el gas helio. Durante el proceso, una vez que el gas helio se convierte en líquido, la temperatura desciende a -452 grados Fahrenheit.

Cuando Onnes estaba experimentando con mercurio, descubrió que cuando se colocaba dentro de un recipiente de helio líquido y se enfriaba a temperaturas muy bajas, su resistencia eléctrica, la oposición de la corriente eléctrica en el material, cayó repentinamente a cero ohmios, una unidad de medida que describe la resistencia. No cerca de cero pero cero exactamente. Sin resistencia sin desperdicio de calor.

Esto significó que una corriente eléctrica, una vez generado, fluiría continuamente sin nada que lo detuviera, al menos en el laboratorio. Pronto se descubrieron muchos materiales superconductores, pero las aplicaciones prácticas eran otro asunto.

Estos superconductores compartían un problema:debían enfriarse. La cantidad de energía necesaria para enfriar un material hasta su estado superconductor era demasiado cara para las aplicaciones diarias. A principios de la década de 1980, la investigación sobre superconductores casi había llegado a su conclusión.

Un descubrimiento sorprendente

En un giro dramático de los acontecimientos, un nuevo tipo de material superconductor fue descubierto en 1987 en IBM en Zurich, Suiza. Dentro de meses, los superconductores que operan a temperaturas menos extremas se sintetizan a nivel mundial. El material era una especie de cerámica.

Estos nuevos superconductores cerámicos estaban hechos de cobre y oxígeno mezclados con otros elementos como el lantano, bario y bismuto. Contradecían todo lo que los físicos pensaban que sabían sobre la fabricación de superconductores. Los investigadores habían estado buscando muy buenos conductores, sin embargo, estas cerámicas eran casi aislantes, lo que significa que puede fluir muy poca corriente eléctrica. El magnetismo destruyó los superconductores convencionales, sin embargo, estos eran ellos mismos imanes.

Los científicos buscaban materiales donde los electrones pudieran moverse libremente, sin embargo, en estos materiales, los electrones estaban bloqueados y confinados. Los científicos de IBM, Alex Müller y Georg Bednorz, en realidad había descubierto un nuevo tipo de superconductor. Estos fueron los superconductores de alta temperatura. Y jugaron con sus propias reglas.

Soluciones esquivas

Los científicos ahora tienen un nuevo desafío. Tres décadas después del descubrimiento de los superconductores de alta temperatura, todavía estamos luchando por comprender cómo funcionan a nivel microscópico. Todos los días se llevan a cabo experimentos creativos en universidades y laboratorios de investigación de todo el mundo.

En mi laboratorio Hemos construido un microscopio conocido como microscopio de efecto túnel que ayuda a nuestro equipo de investigación a "ver" los electrones en la superficie del material. Esto nos permite comprender cómo los electrones se unen y forman superconductividad a escala atómica.

Hemos recorrido un largo camino en nuestra investigación y ahora sabemos que los electrones también se emparejan en estos superconductores de alta temperatura. Es de gran valor y utilidad responder cómo funcionan los superconductores de alta temperatura porque esa puede ser la ruta hacia la superconductividad a temperatura ambiente. Si logramos hacer un superconductor a temperatura ambiente, entonces podemos abordar los miles de millones de dólares que cuesta en calor desperdiciado transmitir energía desde las centrales eléctricas a las ciudades.

Más notablemente, La energía solar recolectada en los vastos desiertos vacíos de todo el mundo podría almacenarse y transmitirse sin pérdida de energía. que podría impulsar a las ciudades y reducir drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero. El potencial es difícil de imaginar. Encontrar el pegamento para los superconductores a temperatura ambiente es la próxima pregunta de un millón de dólares.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.