Questo articolo del blog esplora come i superconduttori affrontano i problemi di perdita di energia e quali cambiamenti potrebbero apportare alla nostra società e alla nostra tecnologia.
La scienza moderna afferma che l'energia si conserva in tutto l'universo. Tuttavia, l'energia utile all'umanità si trasforma spesso in energia inutile. Nella vita quotidiana, non tutta l'energia che le persone utilizzano per svolgere un lavoro viene effettivamente utilizzata per quel lavoro. Questo perché una parte dell'energia viene convertita in energia termica a causa della resistenza degli oggetti. Questo è un fenomeno termodinamicamente spontaneo, mentre la conversione dell'energia termica in altre forme di energia è un fenomeno non spontaneo. In altre parole, parte dell'energia che le persone percepiscono come utile viene sprecata ogni volta che viene utilizzata. Questo spreco naturale di energia ha un profondo impatto su ogni aspetto della nostra vita. Di conseguenza, l'umanità ha da tempo cercato modi per ridurre la perdita di energia e utilizzarla in modo più efficiente.
E se esistesse un materiale in grado di prevenire questo spreco? Nello specifico, per l'energia elettrica, esiste un materiale del genere, che elimina la perdita di energia. Questo materiale è un superconduttore. Un superconduttore è un conduttore che mostra superconduttività al di sotto di una temperatura specifica (detta temperatura critica). La superconduttività è il fenomeno per cui la resistenza elettrica di un materiale scende a zero e il materiale diventa diamagnetico. Il diamagnetismo è il fenomeno per cui un materiale respinge un campo magnetico interno. Se un oggetto possiede proprietà diamagnetiche, un campo magnetico non può penetrare al suo interno. I superconduttori sono classificati in superconduttori di Tipo I e di Tipo II. Un superconduttore di Tipo I è un materiale che impedisce completamente a qualsiasi campo magnetico di penetrare al suo interno. Un superconduttore di Tipo II è un materiale che consente a un campo magnetico di penetrare al suo interno. In altre parole, un superconduttore di Tipo II è un materiale che mantiene la superconduttività senza mostrare un diamagnetismo perfetto. I superconduttori di Tipo I sono per lo più sostanze pure, mentre i superconduttori di Tipo II sono generalmente materiali sintetici creati al momento dell'uso. La maggior parte delle tecnologie che utilizzano superconduttori impiegano superconduttori di tipo II.
Come furono scoperti i superconduttori? Come molte altre scoperte, la scoperta della superconduttività avvenne per caso. Nel 1911, il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes condusse esperimenti sulla relazione tra la temperatura del mercurio solido e la sua resistenza elettrica. Heike Kamerlingh Onnes scoprì che la resistenza del mercurio diminuiva linearmente con la temperatura al diminuire della stessa. Tuttavia, quando la temperatura del mercurio raggiunse i 4.2 K, la resistenza scese improvvisamente a zero. Questa scoperta causò un grande shock nella comunità dei fisici dell'epoca e diede inizio a una nuova comprensione dei fenomeni fisici che si verificano a temperature estremamente basse.
In seguito alla prima osservazione della superconduttività, nel 1933, Fritz Walther Meißner e Robert Ochsenfeld scoprirono che i superconduttori di Tipo I presentano proprietà diamagnetiche. Questa scoperta fornì le basi per una comprensione più approfondita dei superconduttori. La loro scoperta segnò una svolta fondamentale nella ricerca sulla superconduttività e diede impulso a un'indagine attiva sulle potenziali applicazioni commerciali dei superconduttori. Successivamente, nel 1950, Lev Landau e Vitaly Ginzburg pubblicarono una teoria che spiegava le proprietà dei superconduttori. Sulla base di questa teoria, Alexey Abrikosov predisse che i superconduttori sarebbero stati classificati in due tipologie. Nel 1962 fu sviluppato il primo superconduttore commerciale. Da allora, gli ingegneri si sono impegnati a sviluppare superconduttori che presentino superconduttività a temperatura ambiente.
I superconduttori di tipo I sono quasi impossibili da applicare commercialmente a causa delle loro proprietà. Al contrario, i superconduttori di tipo II trovano impiego in vari campi. Un esempio rappresentativo di applicazioni superconduttive è l'elettromagnete superconduttore. Un elettromagnete è un magnete che si magnetizza solo quando è attraversato da una corrente elettrica. Gli elettromagneti sono utilizzati in altoparlanti e dispositivi simili. L'utilizzo di un superconduttore, che ha resistenza nulla, per realizzare un elettromagnete può prevenire sprechi di energia durante il suo funzionamento. I superconduttori sono utilizzati anche nei circuiti. I circuiti che utilizzano superconduttori funzionano più velocemente di quelli che ne sono privi. Un funzionamento più rapido del circuito non solo riduce i tempi di sperimentazione quando si utilizza il circuito, ma consente anche lo sviluppo di dispositivi elettronici più veloci.
Se si sviluppasse un superconduttore che mostrasse superconduttività a temperatura ambiente, tale materiale potrebbe essere utilizzato in vari campi, come linee di trasmissione di energia, condensatori, trasformatori, treni a levitazione magnetica e motori. I fili superconduttori eliminano la perdita di energia elettrica durante la trasmissione di energia. Eliminare inutili perdite di energia significa dover generare meno energia, prevenendo lo spreco di risorse.
I treni a levitazione magnetica che utilizzano superconduttori possono viaggiare a velocità elevatissime. Questo contribuirà al progresso dei trasporti. Attualmente, gli ingegneri hanno innalzato la temperatura critica dei superconduttori a 52 K e la ricerca continua. Il superconduttore, scoperto per caso da Heike Kamerlingh Onnes, ha anche lasciato un segno significativo nella storia della scienza per la società moderna che si trova ad affrontare crisi energetiche.
Sin dalla loro scoperta, i superconduttori hanno profondamente influenzato non solo la fisica, ma anche diversi campi come l'ingegneria elettrica e la scienza dei materiali. I superconduttori non sono più solo oggetti di curiosità fisica; sono diventati importanti strumenti tecnologici con un potenziale di applicazione pratica. Inoltre, mostrano un grande potenziale per contribuire in modo significativo allo sviluppo della società. Nel mondo odierno, dove l'uso sconsiderato di risorse limitate è problematico, lo sviluppo di superconduttori utilizzabili a temperatura ambiente è considerato cruciale. Se gli ingegneri sviluppassero materiali che presentano superconduttività a temperatura ambiente, l'umanità compirebbe un ulteriore passo avanti nella sua evoluzione. Con l'espansione delle applicazioni commerciali dei superconduttori, saremo in grado di utilizzare l'energia in modi più efficienti e sostenibili. Ciò svolgerà un ruolo cruciale nella risoluzione di molti dei problemi che l'umanità si trova ad affrontare, in particolare quelli legati all'energia e all'ambiente.
