La investigación sobre nuevos materiales para el mejoramiento de los circuitos electrónicos ha provocado que la superconductividad sea un área estratégica en los campos de innovación científica del conocimiento.
Los conductores eléctricos son materiales que tienen una resistencia al flujo de electrones muy baja, por ejemplo el cobre, el oro, el hierro y el aluminio, que son de los mejores conductores conocidos a temperatura ambiente. Recordemos que la resistencia eléctrica se debe a los choques y roces que se dan entre los electrones al inducirse un flujo de corriente. Por ejemplo, en una plancha existe una gran resistencia eléctrica y por tanto los choques internos de electrones producen mucho calor.
En 1911, un físico holandés llamado Kamerlingh Onnes empezó a experimentar con metales enfriados y se dio cuenta de que después de cierta temperatura la resistencia de los metales al flujo de electricidad se volvía prácticamente cero de manera casi instantánea; a este fenómeno le llamó superconductividad y a la temperatura de transición de un estado conductivo a uno superconductivo le llamó temperatura crítica. Por este descubrimiento se le otorgó el premio Nobel en 1913.
Por un periodo largo de tiempo la superconductividad se utilizó solamente para algunas aplicaciones científicas de laboratorio o en equipos médicos debido a que las temperaturas críticas estaban en el orden de -450°C y resultaba impráctico y muy costoso el enfriamiento de los sistemas con crióstatos o refrigeradores capaces de llegar a dichas temperaturas. Entre las diversas aplicaciones de estos superconductores encontramos poderosos magnetos usados en sistemas de resonancia magnética para medicina, sensores usados en telescopios y sensores de campos magnéticos.
Sin embargo, fue en 1986 cuando se logró un salto importante en las aplicaciones de superconductividad al descubrirse en los laboratorios de IBM un nuevo tipo de superconductor cerámico (no metálico). Este descubrimiento, que llevó a estos científicos a ganar el premio Nobel en 1987, trajo un gran número de nuevos materiales superconductivos con temperaturas críticas cada vez mayores, y en 1988 se encontró un material cuya fórmula química es YBa2Cu3O (conocido como YBCO), que es un cerámico con una temperatura crítica de cerca de -300°C. A este tipo de superconductividad se le llamó superconductividad de alta temperatura para distinguirlo de los superconductores clásicos que había descubierto Onnes, a los que se les denominó superconductores de baja temperatura. Si bien es cierto que -300°C es una temperatura muy baja en comparación a la temperatura ambiente, resulta relativamente económico enfriar estos materiales con refrigeradores basados en nitrógeno líquido, elemento muy común en la tierra y cuya temperatura es de -320°C.
A partir de entonces, las aplicaciones de superconductividad tomaron auge en la electrónica de potencia y las telecomunicaciones.
En electrónica de potencia se han desarrollado cables que proveen mejor desempeño que cualquier cable de cobre o aluminio. Este tipo de cables superconductivos han sido usados en máquinas eléctricas y transformadores. Como ejemplo, se estima que se pierde alrededor de 7 por ciento de la potencia eléctrica transmitida en Estados Unidos dado la resistencia de los cables convencionales. Sin embargo, si se usaran superconductores, esta pérdida sería muy cercana a cero.
Otra aplicación es en trenes que levitan magnéticamente (Maglev) de ultra alta velocidad capaces de alcanzar velocidades de más de 500 km/hr. Dado el gran poder de los magnetos superconductivos, éstos son usados en las ruedas de los trenes para elevarlos sobre los rieles y así evitar fricción mecánica.
En el área de las telecomunicaciones, los superconductores también han sido utilizados para mejorar el rendimiento de los sistemas. En sistemas de telefonía celular, en la actualidad existen estaciones-base con superconductores operando en algunos países como Japón, Estados Unidos y Reino Unido. Dada la resistencia cercana a cero de los superconductores, los sistemas diseñados con estos materiales tienen un rendimiento mucho mejor que el de sistemas con conductores convencionales, lo que resulta en equipos de telecomunicaciones con mayor sensibilidad, mejor calidad de la señal y mayor rango de cobertura. Se ha demostrado que al utilizar superconductores se reduce el número de llamadas cortadas en aproximadamente 40 por ciento, y el número de llamadas no exitosas en 20 por ciento, lo que incrementa la capacidad de los sistemas.
A su vez, el uso de superconductores permite colocar las estaciones base más apartadas entre sí, lo que disminuye el número de bases entre 25 y 35 por ciento para la misma cobertura, aminorando así los costos de infraestructura. Otra ventaja es que también se reduce la potencia de transmisión, lo que conlleva a tener mayor vida útil en las baterías. Todas estas ventajas hacen a los materiales superconductivos de alta temperatura mas atractivos en cuanto a desempeño.
Otra aplicación de los superconductores de alta temperatura es en sistemas de radar, donde se ha visto que usando superconductores se puede incrementar el rango de detección de objetos en aproximadamente el doble.
Los superconductores de alta temperatura también han sido utilizados en varios radio-telescopios (por ejemplo, el radio telescopio Lovell en Manchester, Inglaterra, que tiene una antena parabólica de 76 m), donde también se ha mejorado la sensibilidad de detección de objetos estelares.
Como se puede ver, las ventajas de desempeño de los superconductores sobre los conductores convencionales hace que sean una tecnología atractiva para diversas aplicaciones. A pesar de que es más costoso operarlos al tener que enfriarlos con crióstatos, el costo beneficio propicia su utilización en ciertos nichos de la electrónica. A futuro, se espera que el uso de los superconductores se extienda a nuevas aplicaciones que puedan mejorar el rendimiento actual de los sistemas.
Bibliografía
- Onnes, H. Kamerlingh. 1911. “The resistance of pure mercury at helium temperatures.” Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden 12.120. 1.
- Cyrot, Michel. 1992. Introduction to superconductivity and high-Tc materials. World Scientific.
- Lancaster, Mike J. 2006. Passive microwave device applications of high-temperature superconductors. Cambridge University Press.
- Corona-Chavez, Alonso, Ignacio Llamas-Garro, and Michael J Lancaster. 2010. “A high temperature superconducting quasi-elliptic notch filter for radioastronomy.” Microwave and Optical Technology Letters 52.1 88-90.
- Corona-Chávez, Alonso, Michael J. Lancaster, and Hieng Tiong Su. 2007. “HTS quasi-elliptic filter using capacitive-loaded cross-shape resonators with low sensitivity to substrate thickness.” IEEE transactions on microwave theory and techniques 55. 117.
