El pasado 8 de marzo, un grupo de científicos de la Universidad de Rochester de Nueva York encabezado por el doctor en Física, Ranga Dias, afirmó haber desarrollado un nuevo material con la propiedad de mantener superconductividad a temperatura ambiente (20 °C). Una temperatura mucho mayor que los -160 °C requeridos por el material de uso comercial que funciona a temperaturas más elevadas.
Si este avance se confirma podría revolucionar gran variedad de tecnologías, por ejemplo, el cableado de la red eléctrica, la generación eléctrica de turbinas eólicas y centrales nucleares, el transporte en trenes de levitación magnética y el diagnóstico médico por imágenes.
Sin embargo, este hallazgo se encuentra envuelto en controversia, ya que algunos miembros de la comunidad científica ponen en tela de juicio la credibilidad de este equipo de investigadores. Esto se debe en parte a que este nuevo material representaría un salto muy grande en el campo comparado al progreso de las últimas décadas, pero también porque el mismo equipo de investigación tuvo una publicación similar en el año 2020 que fue retirada de la revista Nature luego de una discusión sobre el manejo poco convencional de los datos.
¿Qué son los superconductores?
En condiciones normales, todos los materiales conducen la electricidad en mayor o menor medida. Algunos, como los plásticos o el aire, son muy malos conductores, se oponen al paso de la electricidad. Tienen una resistencia alta, son aislantes, pero una cantidad de energía suficientemente grande puede atravesarlos como sucede con los rayos en una tormenta.
Otros materiales, como los metales, son buenos conductores de la electricidad, permiten que esta pase aún con poca energía. Estos materiales tienen resistencia baja, pero no nula, esto significa que una pequeña parte de la energía eléctrica que circula por ellos se transforma en calor y deja de ser aprovechable como electricidad. A nivel global, aproximadamente un 6 % (1) de la energía eléctrica producida no puede ser aprovechada debido a este efecto. Unos 1670 TWh (2) (teravatio-hora) se pierden cada año por este motivo, eso es comparable a toda la producción eléctrica de América Latina (3).
Los superconductores son materiales en los que esta resistencia es nula, la corriente eléctrica puede circular por ellos con total libertad, sin que haya ninguna pérdida de energía. Si uno hace un aro superconductor y le introduce una corriente eléctrica, la corriente quedará permanentemente circulando sin verse disminuida. Además, como sucede con conductores convencionales, la corriente eléctrica circulando genera, a su vez, un campo magnético a su alrededor. De esta forma, un anillo superconductor con una corriente eléctrica se convierte en un imán permanente muy potente. Así es como se crean, por ejemplo, los gravímetros (4) más precisos, aparatos con los que se mide la atracción gravitatoria de la Tierra u otro cuerpo masivo.
Imán levitando sobre un superconductor que fue enfriado con nitrógeno líquido. Crédito: Universidad de Rochester, J. Adam Fenster
Sabemos de su existencia desde 1911 cuando el físico neerlandés Heike Kamerlingh-Onnes realizó este descubrimiento por el cual ganó un Premio Nobel de física. Pero a pesar de conocerlos hace tanto tiempo, no son utilizados en nuestro cableado normal. ¿Por qué? Resulta que todos los metales pueden exhibir este comportamiento como superconductores, pero para ello requieren temperaturas extremadamente bajas, menores a -263 °C, sólo 10 °C por encima del cero absoluto. La única forma de alcanzar estas temperaturas es utilizando helio líquido, un material escaso, caro y cuyo funcionamiento requiere grandes cantidades de energía. Estos limitantes hicieron que durante 75 años los materiales superconductores tuvieran pocas aplicaciones prácticas.
El primer gran avance en su utilización, sucedió en 1986 con el descubrimiento de los superconductores “de alta temperatura”, hecho por el cual los físicos Karl Alexander Müller y Johannes Georg Bednorz fueron distinguidos con un premio Nobel. Estos materiales se tornan superconductores a temperaturas superiores a -196 °C, lo cual puede no parecernos una “alta temperatura”; pero resulta ser un cambio importante porque significa que puede ser enfriado utilizando nitrógeno líquido, que es mucho más abundante y barato que el helio, y para para conseguirlo se requiere bastante menos energía.
Gracias a este avance los materiales superconductores de alta temperatura encontraron sus primeros usos en lugares en los que enfriarlos con nitrógeno líquido resultaba seguro y viable económicamente. Por ejemplo, sus potentes campos magnéticos son aprovechados en medicina en el diagnóstico por Imágenes de Resonancia Magnética (MRI, por sus siglas en inglés). También se utiliza en trenes de levitación magnética (maglevs) y en aceleradores de partículas.
Con el tiempo han surgido numerosos materiales que son superconductores a temperaturas cada vez más elevadas y también se ha descubierto que, en algunos casos, aplicar mayores presiones al material aumenta la temperatura necesaria para conseguir el efecto. Así, el material superconductor de mayor temperatura a presión atmosférica descubierto hasta el momento funciona a una temperatura de -139 °C (5). Por otro lado, si se aumenta la presión a 150 GPa (1,5 millones de veces la presión atmosférica), se encontrará evidencia de superconductividad a -73 °C (6) en un material distinto.
Este es un campo de investigación muy activo para la física aplicada, en el cual todos los investigadores quieren dar con un material que sea superconductor a temperatura y presión ambientes.
Celda de yunque de diamante. Con esta tecnología se consiguen presiones increíblemente altas, pero sólo en muestras materiales muy pequeñas Crédito: Sebastian Merkel de la UMET, Université de Lille, Francia.
La noticia
El equipo de científicos detrás de este nuevo hallazgo publicado en la revista Nature, asegura haber encontrado un material que se torna superconductor a temperaturas tan altas como 20 °C, aunque sujeto a una presión de 1 GPa (mucho menor que el descrito arriba, pero aún 10 000 veces la presión atmosférica). De esta manera, se trataría del primer material superconductor a temperatura ambiente. Más aún, los autores aseguran que en investigaciones posteriores podrían disminuir este requerimiento de presión.
Para conseguir este nuevo material, hidruro de lutecio dopado con nitrógeno, el equipo trabajó inicialmente con una lámina del raro metal lutecio (el número 71 en la tabla periódica), lo comprimieron a altas presiones en una celda de yunque de diamante, introdujeron un gas de 99 % de hidrógeno y de 1 % de nitrógeno y, finalmente, lo calentaron a 65°C por 24 horas. Luego del proceso la temperatura y la presión se normalizan. Una de cada tres veces el resultado fue el deseado cristal azul.
Estructura microscópica cristalina predecida del material hidruro de lutecio dopado con nitrógeno. En verde los átomos de lutecio, en rosa los átomos de hidrógeno, en blanco los átomos de nitrógeno. Crédito: Nature.com
El material es estable y puede ser almacenado a presión y temperatura ambiente, pero para que se vuelva un superconductor, es necesario comprimirlo nuevamente. Durante ese proceso, el cristal cambia de color. Primero se vuelve rosa y luego un rojo brillante reflejando algún cambio interno en su estructura. En estas condiciones, y a temperatura menor a 20 °C el cristal conduce la electricidad sin oponer ninguna resistencia. El equipo de investigación llamó a este material reddmatter.
Imágenes del cristal hidruro de lutecio dopado con nitrógeno, reddmatter a distintas presiones, dentro de una celda de yunque de diamante. (i) A presión ambiente y fuera de la celda; (ii) a presión ambiente dentro de la celda; (iii) a presión de 3 000 atmósferas, y (iv) a presión de 32 000 atmósferas. Crédito: Nature.com
La controversia
No todos los científicos aceptan estos resultados. Esto se debe a que el mismo equipo de investigación que publicó este avance, ya había publicado en 2020 otro documento similar en la misma revista, donde también aseguraban un avance de materiales superconductores a mayores temperaturas y presiones que lo establecido hasta entonces (en aquel momento 270 GPa y -70 °C) pero ese artículo fue retirado de la revista luego de una acalorada discusión sobre cómo fue el manejo de los datos.
El mayor opositor, en aquel momento y también ahora, es el doctor Jorge Hirsch, físico teórico argentino radicado en EE. UU. trabajando para la Universidad de California. Desde un primer momento descreyó de que pudieran existir materiales que fueran superconductores a temperaturas más elevadas que unos 100 K.
Tras la publicación del primer artículo le pidió al equipo del doctor Dias los datos crudos de las mediciones previo a ser procesados y éste, en un principio, se opuso; pero finalmente los hizo públicos.
Con esos datos el doctor Hirsch argumentó que siguiendo el tratamiento convencional de los datos no se pueden llegar a las conclusiones que afirmaron los investigadores. Más aún, Hirsch demostró que los resultados publicados coincidían mejor con una simulación de computadora que con mediciones reales.
Naturalmente, el doctor Dias negó haber manipulado la información y defendió su trabajo, pero surgieron más opositores (los doctores van der Marel, Hamlin, Kimber) atacando distintas partes del documento. Por otro lado, otros científicos presentaron quejas sobre que el doctor Hirsch llevaba décadas oponiéndose a sus publicaciones.
Finalmente, en 2022, la revista Nature retractó la publicación pese a las objeciones de los autores. Asimismo, el sitio arXiv.org donde habían sido publicadas las idas y vueltas entre los doctores Hirsch y Dias decidió eliminar las discusiones y suspender a ambos por seis meses con base en que el tono de los mensajes resultaba muy agresivo para el ambiente científico.
La nueva publicación es aún demasiado reciente como para afirmar o negar su validez. El equipo del doctor Dias la defiende argumentando que todas las mediciones sucedieron a puertas abiertas, con público independiente que la verificara. De hecho, se hicieron múltiples mediciones diferentes sobre las tres propiedades que caracterizan a los superconductores: resistencia eléctrica, campo magnético y calor específico. Todos los datos crudos están publicados junto a los procesados e incluso hicieron pública la receta para que otros investigadores pudieran fabricar el material por su cuenta.
Uno de los gráficos de mediciones que publicó el equipo del doctor . Dias. (En rojo, se puede observar la característica caída repentina de la resistencia a 0. (En azul ilustra la susceptibilidad magnética que indica el cambio del comportamiento Paramagnético donde el campo magnético propio se alinea con uno externo a Diamagnético donde el campo magnético propio se opone al externo. Crédito: Nature.com.
En un punto aparte, vale destacar que los autores no han compartido los cristales que pudieron construir de tal forma que otros científicos pudiesen replicar las mediciones. Además, han fundado una empresa llamada Unearthly Materials que ya en 2021 había recaudado 20 millones de dólares (7). Unearthly Materials pretende comercializar estos superconductores de temperatura ambiente, lo que explicaría por qué quieren proteger la propiedad intelectual del invento.
Esto invita a la pregunta: ¿realmente confían en su descubrimiento? O, ¿quieren convencer a los inversores con promesas vacías?
Al respecto, el doctor Michael Norman del Laboratorio Nacional de Argonne en Illinois, quien no formó parte del estudio, aseguró: “Las grandes afirmaciones realizadas en este artículo, junto con la controversia anterior, han elevado los estándares para una prueba. […] Estoy bastante seguro de que la gente estará cautelosamente optimista hasta que vean a otro grupo de investigadores replicarlo”.
Eso es clave ya que el conocimiento científico alcanzado no cambia con una afirmación nueva, sino que es necesario que el hallazgo sea reproducido por múltiples grupos independientes. Habrá que esperar a que otros equipos de científicos busquen repetir estos experimentos para determinar si es un descubrimiento confiable, y aún después esperar más a que se pueda implementar en alguna tecnología real. Este es sólo el comienzo.
Implicancias
Si este descubrimiento se confirmase, ¿qué utilidades tendría? En primer lugar, hay que considerar el tendido eléctrico. Un material superconductor que pudiera reemplazar los cables de cobre eliminaría las pérdidas de energía entre la producción y la utilización. Sin embargo, este nuevo material es un cristal rígido, necesitaría modificarse considerablemente para poder utilizarse como cable. Además, es muy probable que el costo económico de cambiar todo el tendido existente sea muchas veces mayor al gasto de energía de utilizar el actual. E incluso es posible que en nuevos tendidos no se utilice un nuevo material (si su producción resulta mucho más costosa que la simplicidad de los cables de cobre).
El primer efecto que tendría sería disminuir el costo de operación y el tamaño de los nuevos modelos de tecnologías en las que ya se utilizan superconductores, al no necesitar constante refrigeración con nitrógeno líquido. Los nuevos trenes de levitación magnética y MRIs tendrían posiblemente un mayor costo inicial de producción, pero su utilización resultaría más barata a largo plazo.
Además de esto, existen algunas tecnologías actuales que no emplean superconductores por las dificultades que introduce su refrigeración, pero que se beneficiarían de tener un material superconductor a temperatura ambiente. Este es el caso, por ejemplo, de la producción de energía eléctrica. Turbinas eólicas, represas hidroeléctricas, centrales de quema de combustibles fósiles, etcétera. Todas funcionan en última instancia haciendo girar un imán dentro de una bobina de cable. Ambas partes, imán y bobina podrían ser reemplazadas por sus equivalentes superconductores haciendo que todo el sistema sea más eficiente, liviano y potente.
Por caso, su aplicación ya se está discutiendo en el contexto de energía eólica marina (8), donde algunas empresas consideran que las dificultades de usar nitrógeno líquido se justifican con el aumento de rendimiento. Pero, utilizando superconductores a temperatura ambiente se simplificaría ese problema y se podría extender a los otros tipos de centrales de energía.
También sobre la producción de energía eléctrica, pero yendo a tecnologías más innovadoras, existen los reactores de fusión nuclear (Ver: https://plazacielotierra.org/dia-nacional-de-la-energia-atomica/) Este tipo de energía promete ser limpia y eficiente pero, a pesar de llevar 80 años siendo estudiada, las extremas presiones y temperaturas necesarias para que inicie la reacción hacen que, por el momento, la energía que consumen los reactores en los que se investiga sea mayor que la energía que se consigue como resultado, aunque constantemente esa brecha disminuye. Así lo demuestran los resultados obtenidos en diciembre de 2022 por un grupo de investigación de California, donde lograron una fusión nuclear con la mayor ganancia de energía hasta el momento (9).
Los materiales superconductores podrían ayudar a cerrar esa distancia, sobre todo en los reactores de modelo Tokamak que utilizan potentes campos magnéticos para contener la reacción a presiones extremadamente altas.
