A supercondutividade — qual o motivo de toda essa excitação?

DENTRO do que se parece com a metade inferior de uma xícara de café, feita de Isopor, há um pequeno objeto circular de certo material preto do tamanho de um botãozinho. Em cima deste objeto acha-se um pedacinho de metal ainda menor. Cautelosamente, o jovem estudante derrama um líquido fumegante na xícara, um pouquinho de cada vez. Todos em torno da mesa observam com vívida antecipação.

De início, o líquido produz uma violenta efervescência ao atingir a xícara. Logo tudo se estabiliza e o ar fica parado. Daí, a pequena plaqueta de metal começa a agitar-se, como que numa pequena dança. Subitamente, ela se ergue de cima da bolinha e flutua no ar! O estudante pega um aro de metal e o passa pela plaqueta. Não há nenhum truque, nada de golpe de mágica — a plaqueta está levitando!

Esse foi um experimento em supercondutividade realizado por um grupo de estudantes numa escola secundária da Califórnia, EUA. Há apenas um ano, ou dois, tal experimento só podia ser realizado em laboratórios avançados de pesquisa, com equipamento sofisticado e substanciais dotações orçamentárias. Poderem estudantes do curso secundário realizá-lo hoje em dia é uma indicação do ritmo rápido dos aperfeiçoamentos neste campo.

A revista Time publicou um artigo de capa, em maio último, intitulado: “Supercondutores! — O surpreendente passo à frente que poderia mudar o nosso mundo.” A revista Newsweek o chamou de “Uma Nova Revolução Elétrica”. A revista Life deu à sua cobertura o título de “Física de Pratos Rápidos”, insinuando a respeito de quão rápidas as coisas estão correndo nesta área. Assim, o que é supercondutividade? E qual o motivo de toda essa excitação?

Ideal Há Muito Almejado

A condutividade, por definição, é a medida da capacidade de determinada substância de conduzir a corrente elétrica. A maioria de nós sabe que alguns materiais, tais como o vidro e a porcelana, não conduzem a eletricidade. Por outro lado, metais como o cobre, o ouro e a platina, são bons condutores, porque oferecem relativamente pouca resistência à corrente que passe por eles. A supercondutividade, então, é a ausência de toda resistência elétrica numa substância — aquele estado ideal em que a eletricidade flui desimpedida, sem qualquer perda.

Os cientistas há muito visualizam o vasto potencial que teria tal material ideal — um supercondutor. Por exemplo, as linhas de transmissão de energia feitas de supercondutores eliminariam, não só a enorme perda de energia devido à resistência que existe nos cabos convencionais, mas também as custosas e desagradáveis de ver linhas de transmissão, que cruzam o interior do país. O uso de supercondutores tornaria possível construir supercomputadores compactos, que operariam a velocidades jamais antes alcançáveis. As incomuns propriedades magnéticas dos supercomputadores levariam a uma nova geração de poderosos eletroímãs que poderiam tornar práticos alguns aparelhos experimentais, como os tomógrafos computadorizados médicos, fazer levitar trens de altíssima velocidade, gigantescos aceleradores de partículas e até mesmo a energia proveniente da fusão atômica.

Embora tudo isto seja muito fascinante, existe um dilema. Por mais de 75 anos, os cientistas já sabem que certos metais deveras demonstram a supercondutividade, mas apenas quando resfriados a temperaturas extremamente baixas, a centenas de graus abaixo de zero. Foi em 1911 que um cientista holandês, Heike Kamerlingh Onnes, deparou-se acidentalmente com os supercondutores. Tendo acabado de desenvolver uma técnica para a liquefação do gás hélio, pelo que recebeu o prêmio Nobel em 1913, ele estava investigando o efeito das baixas temperaturas sobre vários metais. Inesperadamente, ele descobriu que o mercúrio perde toda a sua resistência à eletricidade ao atingir -269°C, ou 4 K, quatro graus acima do que os cientistas chamam de zero absoluto na escala Kelvin.a

Embora a supercondutividade fosse descoberta quase por acidente, seu valor logo foi reconhecido. No entanto, a temperatura extremamente baixa, chamada de temperatura de transição, ou crítica, em que o material se tornava supercondutor, constituía grave empecilho. O alto custo, e a complexidade de se trabalhar em tais temperaturas tão reduzidas, limitavam seu valor prático. Nas décadas que se seguiram, os cientistas fizeram experiências com outros materiais, na esperança de encontrarem algo que se tornasse supercondutor em temperaturas mais elevadas. Mas, o progresso demorou a vir.

Com o passar dos anos, contudo, outras propriedades dos supercondutores vieram a lume. Uma das mais importantes, descoberta em 1933, foi a de que, quando se coloca um supercondutor num campo magnético, este não permite que nenhuma parte do fluxo magnético o atravesse, mas o repele ou é repelido pelo fluxo. Este fenômeno, chamado de efeito Meissner, é a causa da levitação, conforme demonstrado naquele experimento feito na escola secundária. A sua descoberta levou a esforços renovados na pesquisa de condutores de temperaturas mais elevadas. Ainda assim, o progresso era a passo de tartaruga. Numa data tão recente como 1973, o melhor que se conseguira era certa liga metálica que se tornava supercondutora a 23 K, ou -250°C, uma temperatura ainda impraticavelmente baixa. E, nos próximos doze anos, mais ou menos, as coisas continuaram como que paradas.

Elevação da Temperatura!

Novo desenrolar dos eventos deu-se quando dois cientistas no laboratório de pesquisas da IBM em Zurique, Suíça, propuseram a idéia de que, talvez, a razão pela qual outros pesquisadores não estavam tendo muito êxito era que eles se voltavam para o material da espécie errada. Até aquele tempo, a maioria das pesquisas era feita com metais e ligas. “Eu me convenci de que não se poderia fazer qualquer progresso adicional nessa direção”, disse Alex Müller, um dos dois cientistas.

Müller e seu associado, Georg Bednorz, começaram a fazer experiências com óxidos metálicos em 1983. Já no início de 1986, eles haviam obtido o primeiro grande avanço, em muitos anos, com a supercondutividade a 35 K, ou -238°C, utilizando uma liga de bário, lantânio, cobre e oxigênio. Quando por fim se publicaram notícias disso, em setembro de 1986, a comunidade científica foi tomada de surpresa. O material utilizado pelos cientistas no laboratório suíço — uma família de cerâmica — era normalmente um insulante, e ninguém iria suspeitar de que dali iria surgir o maior avanço nesse campo ocorrido em décadas.

Em rápida sucessão, um novo recorde era substituído por outro. Em fevereiro de 1987, uma equipe liderada por C. W. Chu, da Universidade de Houston, Texas, EUA, descobriu a supercondutividade num material a uma elevada temperatura recorde de 93 K, ou -180°C, por substituir o lantânio, na liga de Müller, pelo ítrio, outro dos chamados elementos raros da Terra.

Esta grande consecução iniciou um novo capítulo na supercondutividade a altas temperaturas. Até aquele ponto, tinha-se de empregar o hélio líquido para conseguir reduzir os materiais estudados à baixa temperatura exigida — um processo muitíssimo custoso e complicado. Graças à nova descoberta, o resfriamento poderia agora ser feito com nitrogênio líquido, que se liquefaz a 77 K, ou -196°C. O nitrogênio líquido acha-se facilmente disponível, custa apenas quase o mesmo que o leite, podendo ser manejado sem equipamentos sofisticados. Isto, junto com o fato de que o óxido é também fácil de fabricar e barato, desempenharam um grande papel em dar um grande impulso adicional às pesquisas da supercondutividade.

O derradeiro alvo, naturalmente, seria um supercondutor que atuasse à temperatura ambiente, eliminando-se qualquer necessidade de resfriamento, e os cientistas em todo o mundo estão buscando com ardor esse alvo. Aliás, já começam a aparecer informes de “tênues vestígios” de supercondutividade à temperatura ambiente.

Já em fins de maio de 1987, Chu e sua equipe aprimoraram seu próprio recorde. Descobriram que uma pequena parte dum espécime se tornava supercondutor a 225 K, ou -48°C, mas apenas de forma intermitente. “Consegue-se observá-lo uma vez”, disse Pei-Heng Hor, um dos membros da equipe, “daí, depois de algum tempo, ele desaparece, mas pode-se vê-lo de novo”. Outro grupo, da Universidade da Califórnia, em Berkeley, informou sobre o aparecimento da supercondutividade a 292 K, ou 19°C, num material com o qual trabalhavam, mas não conseguiram repetir tal feito.

Acha-se Logo Adiante a Idade de Ouro?

Todas essas notícias excitantes sobre supercondutores têm dado, a muitas pessoas, a impressão de que estamos agora no limiar de uma nova era, uma idade de ouro tecnológica. A nossa vida está prestes a mudar, dizem eles, da mesma forma como ela mudou com os inventos do passado, tais como a luz elétrica e o transistor. Será que todas as coisas maravilhosas que os supercondutores supostamente tornam possíveis estão bem ali à nossa frente?

Para começar, “será preciso obter-se um mais completo entendimento científico básico antes que possamos fazer ampla aplicação da supercondutividade”, comentou Erich Bloch, diretor da Fundação Nacional da Ciência dos EUA. Os cientistas ainda não conseguiram apresentar respostas definitivas quanto a por que as cerâmicas artificiais operam desse modo.

Por causa disso, muitos peritos acham que provavelmente serão necessários anos antes que os supercondutores deixem os laboratórios e tenham uma utilização prática. “O potencial destes materiais é enorme, mas a escala operacional que a imprensa divulga está errada”, afirma um pesquisador da Agência Nacional de Padrões, dos EUA. “Serão necessários cinco anos antes que possamos vê-los nas finíssimas películas nos computadores, e até vinte anos antes que possamos vê-los em aplicações de vulto.”

Um obstáculo reside em que os materiais supercondutores em altas temperaturas não são maleáveis, ou fáceis de manipular, como são os metais. Nem podem estes materiais quebradiços ser flexionados com facilidade, como é do conhecimento de qualquer pessoa que já deixou cair um prato de cerâmica ou de porcelana. Todavia, para que os supercondutores possam ser utilizados em aplicações práticas, eles precisam ser fabricados em forma de cabos (fios) e filmes. Nos computadores e nos circuitos eletrônicos integrados, por exemplo, eles teriam de ser transformados em filmes que teriam apenas frações de um mícron de espessura. Os motores e ímãs requerem cabos finos e flexíveis em seus rolamentos, e as linhas de transmissão de energia têm de ser fortes e flexíveis.

Para complicar ainda mais as coisas, os cientistas não estão seguros de que os materiais supercondutores sejam capazes de conduzir as grandes correntes elétricas ou os campos magnéticos exigidos por muitas aplicações. Todos os supercondutores possuem um patamar, acima do qual eles perdem sua supercondutividade. Na atualidade, esse patamar é relativamente baixo. Talvez todos estes problemas possam ser equacionados — mas não amanhã.

Existe, porém, um lado mais ominoso do assunto. Já se fala de empregar supercondutores em armas de partículas ou de energia dirigida na guerra do espaço! Será que a supercondutividade se provará uma bênção como todos parecem predizer e esperar, ou se mostrará ser como outros inventos revolucionários do passado — tais como a pólvora e a fissão nuclear? Essa é uma pergunta que, pelo visto, ninguém está pronto a responder.

[Nota(s) de rodapé]

[Quadro na página 21]

O Potencial dos Supercondutores

“Supercondutores práticos, resfriados a nitrogênio, poderiam poupar bilhões de dólares às empresas de serviços públicos — e poupar suficiente energia para desativar 50 ou mais usinas de energia elétrica”, afirma a revista Business Week. Geradores e linhas de transmissão dotados de supercondutores poderiam também significar mais potentes usinas de geração de energia mais distantes das cidades, o que poderia reduzir a poluição, os custos e o perigo.

“Maglevs” — trens que levitam sobre campos magnéticos — com velocidades de até 480 quilômetros horários, podem tornar-se praticáveis por meio de ímãs supercondutores leves. Carros elétricos movidos por eficientes motores supercondutores podem reduzir a poluição atmosférica urbana. Até mesmo navios podem ser movidos por tais motores.

Já estão sendo desenvolvidos aparelhos dotados de microchips [microplaquetas] supercondutores que são mil vezes mais rápidos do que os transistores de silício.Utilizando tais chips, os computadores futuros não só serão mais rápidos, mas, por reduzirem grandemente o calor produzido, eles também serão menores. Computadores que cabem sobre a mesa serão tão potentes quanto os supercomputadores atuais.

Os NMR (sigla dos tomógrafos nucleares de ressonância magnética) e os SQUID (sigla de aparelhos de interferência quantum supercondutores) são máquinas que podem perscrutar o corpo humano e detectar as ondas cerebrais. A redução dos custos e da complexidade de tais aparelhos, quando puderem ser utilizados supercomputadores poderá fazer com que estes aparelhos fiquem ao alcance de hospitais e clínicas comuns.

O potencial dos supercondutores é amplo. Quanto dele será alcançado?

[Crédito da foto na página 19]

Pesquisa da IBM