Ingegneria superconduttori

I SUPERCONDUTTORI

Introduzione

L’evoluzione nel tempo della superconduttività
In natura esistono sostanze, che, se portate a una temperatura bassissima sotto lo zero (secondo termini scientifici, ad alta temperatura), detta temperatura critica Tc diventano superconduttori, cioè diminuiscono considerevolmente la loro resistenza al passaggio degli elettroni. Se riuscissero a raggiungere lo zero assoluto, cioè -273,15 ° C (“Zero Kelvin”) annullerebbero completamente la loro resistenza e si otterrebbero così conduttori perfetti.

Resistenza
Grandezza dipendente dalle caratteristiche fisiche e geometriche di un conduttore, atta a definire numericamente la tendenza a dissipare l’energia di una corrente elettrica in esso circolante.
La resistenza (espressa in Ohm Ω) dipende principalmente da due fattori: l’intensità di corrente I (misurata in ampère) e la tensione V (misurata in volt).

Il primo a studiare la superconduttività fu il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes, che nel 1911 scoprì che il mercurio perde completamente la resistenza a 4 gradi sopra lo zero assoluto. Poi, nel 1986 i due studiosi Alexander Müller e J. Georg Bednorz conclusero che alcuni metalli delle terre rare diventano superconduttori a 30 gradi sopra lo zero assoluto, cioè 243,15 ° C.

Elementi delle terre rare
Si definiscono così le seguenti sostanze presenti nella tavola periodica degli elementi:

• scandio (Sc), ittrio (Y) e lantanio (La);
• tutti gli elementi di transizione detti lantanidi tranne il promezio (Pm).

Questi elementi si trovano in natura sotto forma di composti in minerali (il promezio non è presente perché è considerato un elemento artificiale). Possono essere separati oppure ottenuti come metalli mescolati nel cosiddetto misch-metal, additivo per vetri e leghe ferrose, o utilizzati in magneti permanenti.

La storia dei Superconduttori continua e oggi riusciamo ad ottenerli a una temperatura sopra al punto di ebollizione dell’azoto, -196 ° C. È sempre una temperatura molto bassa, ma può essere raggiunta con l’azoto stesso allo stato liquido.

Azoto
L’azoto (N) è un elemento chimico appartenente al 2° periodo e al V gruppo del sistema periodico degli elementi. È presente nell’aria e i suoi isotopi naturali sono 14N (99,635%) e 15N (0.365%). Fu identificato nell’aria nel 1772 da Daniel Rutherford. Successivamente, altri chimici, come Lavoisier, scoprirono l’importante proprietà dell’azoto di non essere combustibile e quindi di non permettere la respirazione e la vita.
A questo punto, è spontaneo chiedersi perché si utilizzi proprio l’azoto e non qualche altro gas. In fondo, tutti i gas sono comprimibili e raffreddabili come l’azoto, ma quest’ultimo è facilmente reperibile anche a un costo abbastanza contenuto. Infatti è componente dell’aria per il 78,09% e, inoltre, non è pericoloso perché non è combustibile. Viene compresso e immagazzinato in bombole a 150 bar.

Bar
Il bar è l’unita di misura della pressione, non appartenente al S.I. Corrisponde indicativamente alla pressione atmosferica terrestre. Perciò arrivare alla pressione di 150 bar significa moltiplicare la pressione terrestre di 150 volte e comprimerla in una bombola.
I principali superconduttori e le loro applicazioni

Alcuni esempi
Oggi sono conosciuti circa 6000 materiali superconduttori. Vediamone alcuni:

• nell’IFW di Dresda si utilizza come superconduttore una speciale ceramica, composta da cuprato di ittrio e bario (YBCO). Viene prodotta con un processo di cristallizzazione da fusione, realizzando campioni di varie dimensioni;
• tutti i lantanidi tranne il promezio (Pm): cerio (Ce), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), samario (Sm), europio (Eu), gadolinio (Gd), terbio (Tb), disprosio (Dy), olmio (Ho), erbio (Er), tulio (Tm), itterbio (Yb), lutezio (Lu);
• alcuni elementi appartenenti al 3° gruppo della tavola periodica degli elementi: scandio (Sc), ittrio (Y) e lantanio (La).

Sezione di un cavo superconduttore

 

 

La cristallizzazione
La cristallizzazione è una transizione di fase della materia, da liquido a solido, nella quale composti disciolti in un solvente solidificano disponendosi secondo strutture cristalline ordinate. È quindi, da un punto di vista fisico, una trasformazione che implica diminuzione di entropia.

L’entropia
In termodinamica l'entropia è una funzione di stato che si introduce insieme al secondo principio della termodinamica e che viene interpretata come una misura del disordine di un sistema fisico o più in generale dell'universo. In base a questa definizione si può dire, in forma non rigorosa ma esplicativa, che quando un sistema passa da uno stato ordinato ad uno disordinato la sua entropia aumenta. Nel Sistema Internazionale si misura in joule su kelvin (J/K).

La fusione
La fusione è una transizione di fase che trasforma un solido in un liquido. La temperatura che permette ad un solido di fondersi viene detta temperatura di fusione o punto di fusione. La fusione viene considerata anche una tecnica di lavorazione dei metalli.
Per raggiungere tale temperatura è necessario, o conferire una data quantità di calore, direttamente proporzionale alla massa del solido e al calore latente, tipico della sostanza; oppure aumentare la pressione del sistema.

Il funzionamento
Per ottenere un superconduttore, come già detto, bisogna portare la sostanza superconduttrice ad alta temperatura. Inoltre, si deve creare un campo magnetico dal quale la stessa possa attingere energia. Durante il raffreddamento, il campo magnetico nel quale si trova il superconduttore si restringe fino a formare una serie di anelli attorno a quest’ultimo. Questo effetto, che rimane finchè la temperatura è sufficientemente bassa, si chiama “Pinning”.

La legge di Ohm
In un circuito elettrico, relazione di proporzionalità diretta tra differenza di potenziale V agli estremi di un conduttore e l’intensità I di corrente: V=RI, dove R rappresenta la resistenza o l’impedenza a seconda che la corrente sia continua o alternata. I conduttori per cui tale relazione è valida sono detti ohmici o lineari (e sono specialmente i conduttori metallici tenuti a temperatura quasi costante).

In un superconduttore, poiché la resistenza è nulla, una carica può girare all’infinito ed essere utilizzata quindi all’infinito senza che mai si esaurisca. Non è necessario nemmeno applicare una differenza di potenziale.
È per questo che in un superconduttore la legge di Ohm non ha più valore.
Esiste però un limite per la corrente che può fluire nel conduttore senza dissipazione oltre il quale il superconduttore torna ad essere un normale conduttore riacquisendo la sua resistenza. Questo limite è detto corrente critica Ic. Inoltre, il campo magnetico esterno al superconduttore, nel quale lo stesso è inserito, non deve essere superiore a quello del conduttore stesso. Questo limite è detto campo critico Bc. I valori di questi limiti dipendono dal materiale scelto.

Ecco qui di seguito alcuni superconduttori con le Tc e i Bc:

Impieghi dei superconduttori
Ecco qui di seguito alcuni impieghi dei superconduttori:

• nell’IFW di Dresda è stato costruito un piccolo treno funzionante con un superconduttore: le rotaie sono mantenute alla temperatura critica Tc, così da rimanere costantemente magneti. Sotto il treno sono fissati alcuni superconduttori. Questi ultimi sono mantenuti freddi dall’azoto liquido contenuto nella locomotiva. In questo modo si formano due magneti da superconduttore di poli uguali e il treno è leggermente sollevato da terra. Continuerà a muoversi finché la temperatura sarà sufficientemente bassa;
• solenoidi di piccole dimensioni, fino a 20T, sia per la ricerca che per la spettroscopia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) che per la MRI (Magnetic Resonance Imaging) . E’ richiesta alta omogeneità di campo e stabilità temporale;
• solenoidi di grandi dimensioni essenzialmente per gli impianti per la fusione termonucleare controllata;

 

• magneti per la fisica delle alte energie, sia per focalizzare ed accelerare i fasci di particelle negli acceleratori, sia per i rivelatori delle particelle stesse;

 

 

• sistemi di accumulo di energia magnetica SMES (Superconducting Magnet Energy Storage);
• sistemi di trasporto basati sulla levitazione magnetica, dove sono richiesti campi magnetici elevatissimi;
• sistemi meccanici senza attrito (cuscinetti magnetici,…);
• trasformatori di corrente;
• limitatori di corrente nelle reti di potenza;
• rivelatori di campo magnetico ad alta precisione SQUID;
• motori magnetoidrodinamici (MHD) la cui realizzazione è possibile solo con magneti superconduttori;
• macchine elettriche.

Solenoide
Avvolgimento di filo conduttore su un supporto cilindrico rettilineo o toroidale che produce un campo magnetico uniforme al suo asse, di intensità proporzionale alla corrente che fluisce nel filo e al numero di avvolgimenti (spire).

Spettroscopia
Parte della fisica che studia la natura di sostanze, atomi o molecole mediante l’analisi dello spettro delle radiazioni emesse.

Spettro
Termine introdotto da I. Newton per indicare le componenti cromatiche in cui si divide un raggio di luce bianca. Oggi il significato è più esteso, e serve ad indicare, in generale, l’andamento delle radiazioni.

Per gli esperimenti di laboratorio, è possibile e conveniente utilizzare come “raffreddatore” l’azoto liquido, ma a livello industriale sarebbe troppo costoso. Si adoperano sistemi diversi di raffreddamento, come, per esempio, i radiatori Stirling.

Radiatore
Qualunque corpo in grado di emettere energia sotto forma di radiazioni di vario tipo (termiche, luminose, ecc.).
I radiatori termici possono diffondere calore o freddo. In entrambi i casi è presente un serbatoio contenente un fluido caldo o freddo. Il compito del radiatore è quello di cedere parte del calore del liquido all’ambiente se il fluido è caldo, o di raffreddare un meccanismo (per esempio il motore di un’auto) se il fluido è freddo.

Osservazioni e conclusioni
Dalla relazione si deducono le seguenti conclusioni:

• un materiale superconduttore ha una resistenza quasi nulla e le scariche elettriche passano attraverso esso con facilità senza dover creare nemmeno una differenza di potenziale;
• affinché un superconduttore resti tale, devono essere soddisfatte le tre seguenti condizioni:
• temperatura operativa inferiore a quella critica di transizione, Tc;
• campo magnetico esterno inferiore a quello critico Bc;
• corrente di trasporto al di sotto di quella critica, Ic;
• uno tra i vantaggi nell’utilizzo dei superconduttori è che la stessa carica elettrica può essere utilizzata all’infinito senza che si esaurisca. Esistono però anche alcuni svantaggi, tra cui il principale è che bisogna mantenere le tre suddette condizioni. In molti casi non è conveniente utilizzare un meccanismo alimentato da un superconduttore perché l’energia necessaria a mantenere la temperatura così bassa è maggiore del guadagno finale. Per esempio, se si dovesse riscaldare una casa con un sistema alimentato da un superconduttore, si impiegherebbe una quantità enorme di energia per mantenere freddo il meccanismo e per isolarlo in modo che non contagi il riscaldamento, nonostante quest’ultimo non richiedesse di per sé alcuna spesa perché la stessa carica elettrica sarebbe utilizzata all’infinito senza il bisogno di rinnovarla.