Periodicamente compaiono annunci di progressi e nuove speranze nel campo della superconduttività. Recentemente, per esempio, il Cnr ha rilanciato uno studio pubblicato su Nature e condotto da un team internazionale di ricerca guidato da tre italiani: Gaetano Campi dell'Istituto di cristallografia del Cnr, Antonio Bianconi del Ricmass di Roma e Alessandro Ricci del Sincrotrone di Amburgo.
Lo studio sembrerebbe dimostrare che in alcuni materiali (a temperature prossime a quelle dell'azoto liquido, cioè intorno ai 195 °C sotto zero) il fenomeno della superconduttività ad alta temperatura è determinato dal fatto che gli elettroni assumono particolari e impreviste configurazioni spaziali (geometrie non euclidee).
Si tratta di una scoperta che apre una finestra su un nuovo stato di aggregazione della materia e può quindi rilevarsi importante per più motivi, tra cui quelli legati alla possibilità di realizzare nuovi materiali superconduttori.
Questa della superconduttività è un settore di ricerca che ha conosciuto un forte sviluppo soprattutto a partire dal 1986, quando per la prima volta fu osservato il fenomeno della cosiddetta superconduttività ad alta temperatura. Da allora sono stati pubblicati letteralmente decine di migliaia di studi sull'argomento: è probabile che circa la metà di tutti i fisici della materia sia oggi in qualche modo coinvolta in ricerche attinenti alla superconduttività.
Le aspettative sulle ricadute industriali di tali studi sono elevate. E va anche detto che l'Italia è ben piazzata nel settore. Tuttavia il mercato è ancora molto limitato, anzi per certi versi ancora tutto da inventare. C'è quindi il serio rischio che le attività di Enea, Cnr, università e imprese italiane diano risultati molto belli, prestigiosi e innovativi (come in effetti è), ma che poi, quando il gioco salirà ad altri livelli e scenderanno in campo brevetti e prodotti industriali, la partita resti appannaggio dei soliti giapponesi, coreani, cinesi e americani.
Superconduttività: di cosa stiamo parlando
Il fenomeno della superconduttività è stato osservato oltre un secolo fa (1911) dal fisico olandese Heike K. Onnes, il quale sperimentò che in alcuni metalli raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto la resistenza elettrica e i campi magnetici sparivano.
In linea teorica questo fatto (di cui ancora oggi non c'è una spiegazione certa e condivisa) apre straordinarie possibilità in numerosi settori industriali, a cominciare da quelli dell'energia, della sanità, dei trasporti e dell'elettronica. Da subito, quindi, la scoperta fu accompagnata da grandi aspettative, rafforzate dal fatto che negli anni successivi si scoprì che erano moltissimi gli elementi (oltre 50) potenzialmente superconduttori.
Aspettative finora a causa del grande problema della superconduttività: la temperatura.
Raffreddare un elemento fin quasi allo zero assoluto è una cosa piuttosto complessa e costosa. Per capire l'ordine di difficoltà da superare, si pensi che è fisicamente impossibile portare un qualsiasi materiale alla temperatura dello zero assoluto, cioè esattamente a - 273,15 °C. Per farlo (terzo principio della termodinamica) occorrerebbe una quantità infinita di energia.
Fu dunque uno straordinario successo quello che ottenne Onnes nel 1908 (che nel 1913 per questi studi ricevette il Nobel), quando riuscì a raffreddare il gas elio a circa -272 °C. A questa temperatura l'elio diventa liquido e può essere utilizzato per raffreddare altri materiali fino al punto da renderli superconduttori: Onnes lo fece con il mercurio a - 269 °C.
Mantenere simili temperature è però possibile solo in laboratorio, sotto costante controllo, su oggetti di volume circoscritto e a costi molto elevati.
Si spiega così perché per oltre 70 anni non ci sono state significative applicazioni della superconduttività, per quanto siano stati compiuti rilevanti progressi dal punto di vista teorico e scientifico.
L'anno di svolta è stato il 1986, quando si scoprì che in alcuni particolari materiali ceramici la resistenza elettrica cessava a temperature molto più "alte" (di circa 35 °C) rispetto a quelle dell'elio liquido. Di per sé passare da -272 °C a - 240 °C non è che cambiasse di molto le cose, ma il fatto rivoluzionario è che si apriva un nuovo campo di ricerca sui materiali, con rapido e decisivo incremento delle temperature critiche. Già l'anno successivo si realizzava un composto a base di ittrio, bario e rame che diventava superconduttore alla temperatura di -180 °C, cioè inferiore a quella dell' azoto liquido (-196 °C).
Questo fatto è stato fondamentale per due motivi: primo perché ha chiarito che le teorie dominanti sulla superconduttività erano sbagliate, riaprendo la corsa alla ricerca scientifica; secondo, la possibilità di raffreddare un superconduttore con l'azoto liquido (facilmente producibile a costi ragionevoli, rispetto al molto più costoso e raro elio liquido) apriva il campo a potenzialità applicative prima inimmaginabili.
Peraltro i risultati delle nuove ricerche non si sono fatti aspettare troppo: attualmente il record di alta temperatura per composti superconduttori è di circa -140 °C a pressione ambiente e -108 °C sotto pressione. Ma le ricerche continuano: per esempio, secondo un articolo apparso su Nature lo scorso agosto alcuni ricercatori del tedesco Max-Planck Institute hanno sperimentato un materiale che sotto alte pressioni diventa superconduttore alla temperatura di -70 °C.
Non mancano scienziati autorevoli i quali ritengono plausibile che prima o poi si possa arrivare a realizzare superconduttori a temperatura ambiente.
Le possibili applicazioni della superconduttività
È bene ribadire che il percorso verso la disponibilità di applicazioni diffuse è ancora sicuramente lungo, sebbene nessuno possa realmente dire quanto.
Molto dipende da cosa si intende con il termine "diffuse": alcune applicazioni specializzate sono infatti già disponibili e molte sono in fase di sviluppo.
Tuttavia per una vera diffusione vi sono evidenti difficoltà, legate non solo all'esigenza di ottenere e conservare temperature molto basse fuori dai laboratori. Nel caso della superconduttività "ad alta temperatura" c'è anche un rilevante problema di qualità dei materiali: quelli finora sviluppati presentano difficoltà sia elettrotecniche (in relazione alla stabilità direzionale dei flussi di corrente) sia meccaniche (hanno proprietà simili ai materiali ceramici, e quindi sono molto fragili e poco duttili) che ne rendono difficile la lavorazione ai fini pratici.
Per esempio: dopo oltre due decenni di ricerche e spese esorbitanti, finora si è riusciti a realizzare cavi superconduttori con lunghezze massime di circa 1 chilometro ( il record è in Germania). Occorrerebbe invece poterne costruire con lunghezza di decine e centinaia di km, e a prezzi ragionevoli, per rendere la trasmissione di energia elettrica quel mercato di sbocco della superconduttività che tutti auspicano, visto che la non perfetta conducibilità delle linee attuali fa perdere circa il 10% di tutta l'elettricità prodotta.
In ogni caso è proprio nell'energia che sono attese le applicazioni di maggiore interesse pratico: in effetti i materiali superconduttori sono in grado di apportare importanti incrementi di efficienza e di sicurezza tanto nei singoli apparati (generatori, trasformatori, motori), quanto nel complesso dei sistemi di rete. Di più: grazie ai superconduttori si sta lavorando ad una nuova generazione di tecnologie che consentono rendimenti energetici più elevati, contestualmente a una riduzione significativa di materiali e di emissioni.
I settori industriali interessati sono praticamente tutti, o quanto meno tutti quelli sensibili all'innovazione, con applicazioni a volte davvero "impensabili", come nel caso della bonifica e purificazione magnetica dell'acqua.
Sono molte le innovazioni già in fase avanzata di sviluppo: è il caso - per fare un solo esempio - dei giroscopi e dei volani, tecnologie cui la superconduzione offre prospettive in più direzioni, tra cui di gran rilievo quella dei sistemi di accumulo dell'elettricità.
Anche nel settore dei trasporti si aprono opportunità straordinarie. Si pensi, per esempio, alla possibilità di realizzare su grande scala treni a levitazione magnetica.
Di questi veicoli - che "scivolano" su campi di forza ottenuti da magneti superconduttori, senza toccare le rotaie - ne sono già stati realizzati diversi prototipi in Germania, Giappone e Cina; altri sono in progetto soprattutto in Usa, Gran Bretagna e Corea. Tuttavia una loro diffusione con le tecnologie oggi disponibili presenta difficoltà (soprattutto economiche) difficili da superare, anche nel caso dei materiali ad alta temperatura. Finora, infatti, è stato realizzato un solo prototipo commerciale, in Cina, per una tratta molto breve: collega città e aeroporto di Shanghai (30 km) in 7 minuti, viaggiando ad una media di 250 km/h (la velocità massima è di oltre 500 km/h).
Progetti per lo sviluppo di sistemi di trasporto a levitazione sono in corso in numerosi Paesi, e riguardano anche la mobilità urbana: sempre in Cina, per esempio, nel mese scorso è stato inaugurato un prototipo a levitazione e bassa velocità (max 100 km/h) appositamente pensato per le città.
Altro importante settore industriale è quello dell' (crioelettronica), con speciale riferimento alla microelettronica e alla sensoristica. Questi settori hanno già beneficiato dei progressi fatti per lo sviluppo della superconduttività. Per esempio, con materiali superconduttori ad alta temperatura sono stati realizzati componenti estremamente complessi per la tecnica delle microonde (filtri, antenne, miscelatori di frequenza) che a breve potrebbero realizzare quasi una nuova rivoluzione nel campo della telefonia mobile. Parimenti ci si aspetta che il settore dell'informatica venga fortemente modificato dall'uso dei superconduttori, che hanno già dimostrato sperimentalmente di poter consentire superprestazioni rispetto alle tecnologie attuali.
In particolare, nel settore della sensoristica , merita di essere segnalata una innovazione negli strumenti di misura dei campi magnetici.
Sono già stati realizzati sensori, denominati SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) che sono in grado di misurare campi magnetici fino a circa un milione di volte più piccoli di quello terrestre. Questa enorme sensibilità li rende idonei a innumerevoli applicazioni avanzate, già abbastanza diffuse come tipologia, benché la difficoltà di operare a temperature molto basse ancora ne impedisca una larga diffusione quantitativa. Per dire, gli SQUID consentono di misurare i campi magnetici generati dall'attività degli organi interni del corpo umano: addirittura sono in grado di misurare le infinitesimali correnti elettriche associate all'attività del nostro cervello.
È dunque evidente l'enorme importanza che possono rivestire per la diagnostica medica, ma i loro usi si estendono a un gran numero di applicazioni: dalla ricerca di base (fisica, geologia, biologia), alla ricerca geofisica di idrocarburi e minerali, ad alcuni usi industriali (per es. nei controlli non distruttivi), ai progetti di computer quantistici.
Insomma, le ipotesi di applicazione della superconduttività nella vita quotidiana si stanno moltiplicando con un limite che sembra posto solo dalla creatività, confrontata, ovviamente, dai soliti concreti aspetti economici.
[ Valter Cirillo]
Pacman
Nostradamus
Magical Cat Adventure
Snake