Superconduttività: Perché tanta eccitazione?

ALL’INTERNO di ciò che sembra una ciotolina di polistirolo c’è una pallina di materiale nero grande quanto un bottoncino. Sopra la pallina c’è un pezzetto di metallo ancora più piccolo. Con cautela il giovane studente versa nella ciotolina un liquido fumante, un po’ per volta. Attorno al tavolo tutti osservano con grande aspettativa.

Dapprima il liquido frizza quando tocca la ciotolina. Ben presto tutto si calma e l’aria si fa immobile. Poi il pezzetto di metallo comincia a saltellare come se eseguisse una piccola danza. Tutto a un tratto si solleva dalla pallina e fluttua nell’aria! Lo studente prende un anello metallico e lo passa attorno al pezzetto di metallo. Non ci sono né trucchi né inganni: il pezzetto di metallo è sospeso sul nulla!

Questo è un esperimento sulla superconduttività eseguito da un gruppo di studenti in una scuola superiore della California. Appena uno o due anni fa un esperimento del genere si sarebbe potuto fare solo in un laboratorio di ricerche avanzate con apparecchiature sofisticate e grossi finanziamenti. Il fatto che oggi sia alla portata degli studenti di una scuola superiore è un’indicazione della rapidità con cui si susseguono gli sviluppi in questo campo.

Lo scorso maggio la rivista Time ha pubblicato un articolo di copertina intitolato “Superconduttori: una sorprendente scoperta che potrebbe cambiare il nostro mondo”. Newsweek l’ha definita “Una nuova rivoluzione nel campo dell’elettricità”. Cos’è dunque la superconduttività? E perché tanta eccitazione?

Un materiale ideale cercato da tanto tempo

La conduttività si può definire la misura dell’attitudine di una sostanza a trasmettere una corrente elettrica. La maggioranza di noi sa che materiali come vetro e porcellana non conducono l’elettricità. D’altra parte, metalli come rame, oro e platino sono buoni conduttori perché offrono relativamente poca resistenza alla corrente che li attraversa. La superconduttività, quindi, è l’assenza di qualsiasi resistenza elettrica in una sostanza: quello stato ideale in cui l’elettricità viaggia senza intoppi e senza dispersione.

Da molto tempo gli scienziati pensano a tutte le possibili applicazioni di un simile materiale, un superconduttore. Per esempio, le linee di trasmissione della corrente fatte di superconduttori eliminerebbero non solo l’enorme perdita di energia causata dalla resistenza che si incontra nei cavi convenzionali, ma anche le costose linee elettriche che deturpano il paesaggio. L’impiego dei superconduttori renderebbe possibile costruire supercomputer compatti in grado di lavorare a velocità finora irraggiungibili. Le insolite proprietà magnetiche dei superconduttori potrebbero portare a una nuova generazione di potenti elettromagneti che renderebbero di uso pratico apparecchiature come i tomografi usati in medicina, treni superveloci a levitazione magnetica, giganteschi acceleratori di particelle e perfino l’energia da fusione nucleare.

Per quanto tutto questo sia affascinante, però, c’è un ostacolo. Da oltre 75 anni gli scienziati sanno che certi metalli manifestano superconduttività ma solo se raffreddati a temperature estremamente basse, a più di duecento gradi sotto zero. Fu nel 1911 che uno scienziato olandese, Heike Kamerlingh Onnes, riscontrò per la prima volta il fenomeno della superconduttività. Avendo appena scoperto un sistema per liquefare il gas elio, cosa per cui nel 1913 gli fu assegnato il premio Nobel, stava studiando l’effetto delle basse temperature su vari metalli. Inaspettatamente scoprì che nel mercurio la resistenza elettrica si riduce a zero verso i -269°C, o 4°K, quattro gradi della scala Kelvin al di sopra di quello che gli scienziati chiamano zero assoluto.a

Sebbene la superconduttività fosse scoperta quasi per caso, ne venne subito riconosciuta l’importanza. Tuttavia la temperatura estremamente bassa, detta temperatura critica o di transizione, a cui i materiali presentavano il fenomeno della superconduttività era un grave ostacolo. Il costo elevato e la difficoltà di lavorare a tali basse temperature ne limitavano l’utilità pratica. Nei decenni successivi gli scienziati sperimentarono vari altri materiali nella speranza di trovare qualcosa che presentasse il fenomeno della superconduttività a temperature più elevate. Ma i risultati tardavano ad arrivare.

Nel corso degli anni, comunque, sono venute a galla altre proprietà dei superconduttori. Una delle più importanti, scoperta nel 1933, era che quando un superconduttore viene collocato in un campo magnetico non si lascia attraversare dal flusso magnetico, ma lo respinge o ne è respinto. Questo fenomeno, detto effetto Meissner, è la causa della levitazione, come dimostrava l’esperimento menzionato all’inizio dell’articolo. La sua scoperta indusse a rinnovare gli sforzi nella ricerca di materiali che presentassero il fenomeno della superconduttività a temperature più elevate. I progressi, tuttavia, si susseguivano con estrema lentezza. Ancora nel 1973 il meglio che si fosse trovato era una certa lega metallica che diventava superconduttiva a 23°K, cioè a -250°C, una temperatura ancora bassa ai fini pratici. E per circa dodici anni le cose rimasero pressoché allo stesso punto.

La temperatura sale!

Una nuova svolta negli avvenimenti si cominciò ad avere quando due scienziati del laboratorio di ricerca della IBM di Zurigo pensarono che se gli altri ricercatori non stavano ottenendo grandi risultati, forse era perché prendevano in considerazione il tipo di materiale sbagliato. Fino a quel momento la maggior parte delle ricerche erano state condotte essenzialmente su metalli e leghe. “Mi convinsi che non si sarebbe potuto fare ulteriore progresso in quella direzione”, disse Alex Müller, uno dei due scienziati.

Nel 1983 Müller e il suo collega, Georg Bednorz, cominciarono a fare esperimenti con ossidi di metalli. Al principio del 1986 avevano conseguito il primo grosso passo in avanti dopo anni, la superconduttività a 35°K, cioè -238°C, usando un composto di bario, lantanio, rame e ossigeno. Quando nel settembre del 1986 la notizia fu infine pubblicata la comunità scientifica fu colta alla sprovvista. Il materiale usato dagli scienziati nel laboratorio svizzero, una famiglia di ceramiche, era normalmente un isolante e nessuno avrebbe sospettato che con esso si sarebbero compiuti i più significativi progressi dopo decenni.

I record si susseguirono rapidamente. Solo nel febbraio del 1987 un’équipe diretta da C. W. Chu dell’Università di Houston scoprì la superconduttività alla temperatura record di 93°K, ovvero -180°C, in un materiale ottenuto sostituendo il lantanio del miscuglio di Müller con ittrio, un’altra delle cosiddette terre rare.

Questa scoperta aprì un nuovo capitolo nel campo della superconduttività a temperature più alte. Fino a quel momento si era dovuto usare elio liquido per portare i materiali studiati alle basse temperature necessarie: un processo molto costoso e complicato. Con la nuova scoperta il raffreddamento poteva essere effettuato con azoto liquido, dal momento che l’azoto si liquefa a 77°K, cioè -196°C. L’azoto liquido è facilmente reperibile, costa solo più o meno quanto il latte e si può maneggiare senza apparecchiature sofisticate. Questo, oltre al fatto che l’ossido in questione è facile ed economico da produrre, è servito a incrementare ulteriormente le ricerche sulla superconduttività.

Il non plus ultra, naturalmente, sarebbe un superconduttore che lavorasse a temperatura ambiente, eliminando così il bisogno di raffreddarlo, ed è proprio quello che stanno accanitamente cercando scienziati di tutto il mondo. In effetti si cominciano a diffondere notizie su “tracce fuggevoli” di superconduttività a temperatura ambiente.

Verso la fine di maggio del 1987 Chu e la sua équipe avevano migliorato il loro stesso record. Avevano trovato un pezzetto di un campione che diventava superconduttivo a 225°K, cioè -48°C, ma solo a intervalli. “Può capitare di vederlo accadere una volta”, disse Pei-Heng Hor, uno dell’équipe, “poi dopo un po’ scompare, ma lo si può osservare di nuovo”. Un’altra équipe, all’Università californiana di Berkeley, riferì di avere osservato il fenomeno della superconduttività a 292°K, cioè a 19°C, in un materiale su cui stava lavorando, ma non è riuscita a ottenere il risultato una seconda volta.

Imminente un’età d’oro?

Tutte queste eccitanti notizie sui superconduttori hanno dato a molti l’impressione che siamo alle soglie di una nuova era, di un’età d’oro tecnologica. La nostra vita sta per cambiare, dicono, com’è avvenuto con certe invenzioni del passato, quali la luce elettrica e il transistor. Tutte le cose meravigliose che si suppone di poter fare con i superconduttori stanno davvero per diventare realtà?

Tanto per cominciare, “si dovranno ottenere basi teoriche molto più ampie per poter fare estese applicazioni della superconduttività”, ha detto Erich Bloch, direttore della Fondazione Nazionale delle Scienze negli Stati Uniti. Gli scienziati non sono ancora riusciti a spiegare con precisione perché i materiali ceramici prodotti dall’uomo si comportano in quel determinato modo.

Per questa ragione molti esperti ritengono che passeranno probabilmente anni prima che i superconduttori escano dai laboratori e che se ne faccia un’applicazione pratica. “Il potenziale di questi materiali è grande, ma i tempi suggeriti dalla stampa per il loro utilizzo sono errati”, dice un ricercatore del National Bureau of Standards. “Passeranno cinque anni prima che li vediamo sotto forma di sottilissimi strati nei computer, e almeno vent’anni prima che ne vediamo un’applicazione in grande stile”.

Un ostacolo sta nel fatto che i materiali che presentano superconduttività ad alte temperature non sono malleabili o duttili come i metalli. Tanto meno questi materiali fragili si possono piegare con facilità, come sa bene chiunque abbia fatto cadere un piatto di ceramica o di porcellana. Invece per fare un’applicazione pratica dei superconduttori bisogna produrli sotto forma di fili e di strati molto sottili. Per usarli nei computer e nei circuiti integrati, per esempio, dovrebbero essere sotto forma di strati dello spessore di qualche frazione di micron. Motori e magneti hanno bisogno di fili sottili e flessibili negli avvolgimenti e le linee di trasmissione della corrente devono essere robuste e flessibili.

A complicare ulteriormente le cose, gli scienziati non sono sicuri che i materiali superconduttori siano in grado di sopportare le grosse correnti elettriche o gli intensi campi magnetici che molte applicazioni richiedono. Tutti i superconduttori hanno una soglia oltre la quale la superconduttività scompare. Al presente quella soglia è relativamente bassa. Forse tutti questi problemi si potranno risolvere, ma non dall’oggi al domani.

La cosa ha però un lato più sinistro. Si parla già di usare i superconduttori in armi a energia cinetica o a energia direzionata da usare nella guerra spaziale! La superconduttività dimostrerà d’essere quella benedizione che tutti prevedono e sperano, o farà la stessa fine di altre invenzioni rivoluzionarie del passato, come la polvere da sparo e la fissione nucleare? Questa è una domanda a cui nessuno evidentemente sa rispondere.

[Nota in calce]

[Riquadro a pagina 21]

Le possibilità dei superconduttori

“I superconduttori raffreddati ad azoto potrebbero far risparmiare migliaia di miliardi alle aziende che offrono servizi, e far risparmiare abbastanza energia da rendere superflue 50 o più centrali”, dice Business Week. Generatori e linee elettriche a superconduttori potrebbero anche significare centrali più potenti a maggiore distanza dalle città, il che potrebbe ridurre inquinamento, costi e pericoli.

Con i leggeri magneti a superconduttori i maglev — treni a levitazione magnetica che raggiungono velocità di 480 chilometri orari — possono diventare fattibili. Le auto elettriche azionate da efficienti motori a superconduttori potrebbero ridurre l’inquinamento atmosferico urbano. Anche le navi potrebbero funzionare con motori del genere.

Si stanno già mettendo a punto microcircuiti integrati a superconduttori mille volte più veloci dei transistor al silicio. Con questi microcircuiti non solo i futuri computer saranno più veloci ma, riducendo notevolmente il calore prodotto, saranno anche più piccoli. Computer da tavolo saranno potenti quanto i grandi computer di oggi.

I tomografi a risonanza magnetica nucleare (RNM) e gli SQUID (dispositivi superconduttori a interferenza quantistica) sono macchine che possono scrutare dentro il corpo umano e percepire le onde cerebrali. Con l’uso dei superconduttori si riducono i costi e i problemi di progettazione, così che anche normali ospedali e cliniche se li potranno permettere.

Le possibilità dei superconduttori sono enormi. Fino a che punto saranno realizzate?

[Fonte dell’immagine a pagina 19]

Ricerche IBM