A supercondutividade aplicada à nossa vida

• A maioria dos elementos químicos se convertem em supercondutores em temperatura extremamente baixa
• A supercondutividade permite levar corrente elétrica sem produzir perda de energia ou de resistência
• Comboios que circulam a levitar, magnetoencefalogramas de grande precisão, assim como motores, geradores e transformadores muito menores e mais leves são algumas das aplicações da supercondutividade

Supercondutores desenvolvidos pelo CERN para transportar correntes acima de 20.000 amperes

Um pouco de história para dar bagagem�

A princípios do século XX, o físico holandês H. Kamerlingh Onnes e sua equipa de pesquisadores se dedicaram a estudar as propriedades da matéria em temperaturas extremamente baixas, entre -271 °C e -259 °C. Em 1911 observaram que a resistência elétrica do mercúrio tende a zero (desaparece) abaixo de 4,2 K (-269 ° C). Acabavam de descobrir a supercondutividade. Sua colaboração neste campo os levou a merecer o Prémio Nobel de Física em 1913.

Dois Prémios Nobel adicionais para os pesquisadores que avançaram na supercondutividade

Em 1957, J. Bardeen, L. Cooper e R. Schrieffer anunciaram sua teoria, conhecida como BSC, que pela primeira vez explicou quase todas as propriedades dos materiais supercondutores e foi reconhecida com o Prémio Nobel de Física em 1972. A teoria BCS propõe que, no estado supercondutor, existe uma interação atrativa entre elétrons através das deformações da rede metálica que os juntam a formar pares (pares de Cooper). Estes pares são capazes de transportar corrente sem que apareça resistência elétrica.

Em 1986, J.C. Bednorz e K.A. Müller, nos laboratórios IBM de Suíça, descobriram supercondutividade em materiais cerâmicos e em temperaturas superiores ao limite. Este resultado supôs uma revolução: rapidamente identificaram numerosos materiais capazes de trabalhar em temperaturas superiores à da ebulição do nitrogénio líquido (-196 °C), o que possibilita esfriá-los com maior facilidade e economia. O descobrimento acarretou no Prémio Nobel de Física de 1987. Estas famílias de materiais, que recebem o nome de “supercondutores de alta temperatura”, SAT, despertaram o interesse tecnológico para o desenvolvimento de novos usos para a supercondutividade.

O efeito Joule e os pares de Cooper

Quando a corrente elétrica circula por um fio condutor, este se aquece (como nos indica, por exemplo, a mudança de cor nas resistências dos aquecedores ou nos filamentos das lâmpadas). Este fenómeno, denominado “Efeito Joule”, é causado pela resistência elétrica e é produzido porque os elétrons, quando movem-se, chocam com os átomos do material. Em compensação, num supercondutor, os elétrons formam pares (pares de Cooper) que se deslocam através do material (a sincronizar-se entre si e com as oscilações dos átomos) a transportar corrente sem que apareça resistência elétrica.

Isto é:

• Quando a resistência cai a zero, uma corrente pode circular no interior do material sem nenhuma dissipação de energia porque o material deixa de oferecer resistência à passagem da corrente elétrica.
• Os pares de Cooper movem-se pelo interior do sólido sem fricção.

O efeito Meissner

Os supercondutores, além de sua capacidade de transportar correntes elétricas sem resistência, podem blindar campos magnéticos (expulsá-los), fenómeno que se conhece como “Efeito Meissner”.

Que aplicações têm na nossa vida a supercondutividade?

Gerar e conduzir correntes elétricas com perdas de energia baixas

• Instalar cabos supercondutores na rede elétrica que possibilitam transportar a mesma potência com menor custo energético, o que beneficia o meio ambiente.
•  Projetar motores, geradores e transformadores muito menores e mais leves. Por exemplo, motores de propulsão para barcos e aerogeradores.

A produção de grandes campos magnéticos

• Melhorar os equipamentos de ressonância magnética instalados nos hospitais: os fios supercondutores de menos de 1 mm de diâmetro possibilitam a circulação de centenas de amperes sem causar perdas, o que os faz idóneos para as bobinas que geram campos magnéticos intensos (superiores a 2 teslas).

O sistema magnético no detetor ATLAS do CERN inclui 8 ímanes enormes supercondutores (tubos de cor cinza)

Viagem ao interior do CERN (ATLAS) em 10 minutos

• Para os grandes ímanes utilizados nos aceleradores de partículas como o CERN (European Council for Nuclear Research).

Novos sistemas de transporte

Como os supercondutores podem gerar grandes campos magnéticos, é possível construir circuitos de ímanes permanentes pelos que se deslocam veículos que levitam (literalmente) sobre eles. É o caso dos comboios Maglev que, ao desaparecer o atrito com a via, alcançarão velocidades de até 580 Km/hora no percurso entre Tóquio e Osaka. Está previsto que a primeira linha comercial comece a funcionar em 2025.

Prova a mais de 500 Km/hora do comboio supercondutor Maglev

Design de novos dispositivos eletrónicos

Estes dispositivos eletrónicos de alta prestabilidade possibilitam detetar campos magnéticos muito pequenos e são utilizados em instrumentos científicos de alta precisão. São capazes de detetar, por exemplo, os campos magnéticos induzidos pelas transmissões entre grupos de neurónios do cérebro e já começaram a ser utilizados para obter magnetoencefalogramas.

Fontes:

ICMA, Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (CSIC, Consejo Superior de Investigaciones Científicas -Universidad de Zaragoza)

CERN

Agradecimentos:

Agradecemos a Luis Alberto Angurel, Chefe da Equipa de Supercondutividade do ICMA, pela colaboração prestada para a redação deste artigo.