SUPERCONDUTORES

Os metais são bons condutores de eletricidade e suas condutividades aumentam à medida que a temperatura diminui. Em 1911, o cientista holandês Heike Kammerlingh Onnes observou que quando resfriava o mercúrio até 4,2 K sua resistência caía repentinamente a zero, descobrindo assim uma das características de um supercondutor, que é a resistência elétrica zero ou quase zero. Devido a isso, não há perda de energia em forma de calor, como não há perda de corrente, ela flui indefinidamente, como ele pode transportar corrente elétrica sem perder energia e, em princípio, a corrente poderia fluir para sempre.

Comportamento das linhas de fluxo magnético para um (a) supercondutor e (b) material paramagnético normal.  

Outra característica dos supercondutores foi descoberta mais tarde, por Meissner e Ochsenfeld, eles notaram que os materiais supercondutores impedem a penetração de campos magnéticos, causando assim a “levitação”. Esse fenômeno ficou conhecido como efeito Meisser, que pode ser visto experimentalmente; quando um ímã permanente é colocado no topo de um supercondutor e ele for resfriado até a sua temperatura crítica, o imã sobe e fica suspenso no ar acima do material supercondutor, isso ocorre pela repulsão mútua entre um ímã permanente e um supercondutor.

Efeito Meissener. Fonte: Levitação magnética, acesso em: https://imadeneodimio.com.br/levitacao-magnetica/
 

Porém, se esse supercondutor for posto sobre um imã em que seu campo magnético for aumentando gradativamente, chegará um ponto que o material perderá suas propriedades supercondutoras, sendo assim, existe uma magnetização crítica para o material.

Um dos grandes problemas na utilização de supercondutores é a necessidade de baixa temperatura para que os materiais apresentem as características de supercondutividade. Um exemplo disso é a liga supercondutora de nióbio e titânio, conhecida desde a década de 1950, e sua temperatura crítica é de cerca de 4 K, o único meio de se chegar a essas temperaturas é utilizando hélio líquido, que possui um custo muito elevado, por isso cada vez mais se tendo esforços para se encontrar ligas condutoras que tenham temperatura crítica mais elevada.

O primeiro supercondutor não-metálico foi descoberto em 1964, é um óxido metálico com uma estrutura cristalina da perovskita, sendo um supercondutor diferente das ligas, porém não tem aplicação prática, visto que sua temperatura crítica era de 0,01K. A supercondutividade também foi observada em certos materiais orgânicos constituídos por moléculas planares superpostas em certos sulfetos conhecidos como compostos de Chevrel.

Em 1986, Georg Bednorz e Alex Müller comunicaram a descoberta de um novo tipo de supercondutor com valor de temperatura crítica de 35 K. Esse composto é um óxido misto de Ba-La-Cu-O, com isso teve um estímulo no interesse pelos supercondutores “cerâmicos”, foram preparados compostos semelhantes em diversos laboratórios, substituindo-se BA2+, por Ca2+ ou por Sr+2, ou usando diferentes lantanídeos e modificando as condições de síntese para controlar a quantidade de oxigênio. Dessa forma, foram preparados compostos que têm temperatura crítica em torno de 50 K.

Outro trabalho importante foi feito por Wu, Chu em março de 1987, que se baseava em um sistema de Y-Ba-Cu-O e tinha uma temperatura crítica de 93 K. Com essa elevação na temperatura crítica reduziu os custos, visto que nessa  temperatura já é possível usar nitrogênio líquido como refrigerante ao invés de hélio líquido, desde então supercondutores de cuprato têm sido centro de enorme interesse.

Outros exemplos de supercondutores são aqueles que consistem em estruturas em camadas contendo Fe. Foram descobertos pela primeira vez em 2008, onde dependendo da sua forma de obtenção a temperatura crítica pode variar de 26 até 55 K. O boreto de magnésio, MgB2, que já era conhecido desde a década de 1950, teve, apenas em 2001, suas propriedades supercondutoras descobertas.

Apesar de todas essas descobertas ocorridas em busca de materiais que sejam supercondutores a temperaturas mais elevadas, continua, além da pesquisa, outro empecilho. Os supercondutores apresentam um problema de fabricação, pois quando preparados na forma de um material maciço os supercondutores de cuprato apresentam perda da capacidade supercondutora após pouca passagem de material, levando-o a uma quantidade limitada de corrente.

Porém, devido ao grande uso que podemos ter com supercondutores cada vez mais vem se pesquisando maneiras de se contornar esses problemas. Os supercontudores podem ser aplicadas em diversas áreas, como por exemplo, transportar energia elétrica, devido a transmissão de corrente contínua com pequenas perdas através de cabos desprovidos de resistência elétrica a partir das estações geradoras, ao invés da transmissão de corrente alternada utilizando cabos convencionais, parece economicamente promissora.

Outro uso de supercondutores é em computadores. Um dos grandes empecilhos de realizar a diminuição dos chips é o super aquecimento que eles sofrem e com a utilização de supercondutores esse problema iria ser resolvido, pois por não dissipar energia em forma de calor, auxiliam na refrigeração.

Atualmente, temos dois grandes exemplos de supercondutores que já estão sendo utilizados. Um deles é o acelerador de partículas Large Hadron Collidern, no CERN, iniciou suas operações em 2008, depende de 10000 imãs supercondutroes de NbTi que ficam alojados em criostatos  contendo aproximadamente 130 toneladas de hélio para manter a temperatura operacional de 1,9 K.

O outro grande exemplo é a aplicação no desenvolvimento de sistemas de trem, que operam com levitação magnética (MAGLEV), na qual o trem viaja efetivamete a aproximadamente 10 mm acima do seu trilho, isto é, um movimento praticamente sem atrito. O primeiro trem comercial entrou em serviço em Xangai em 2003, e pode atingir velocidades de 440 km h-1.

Trem Maglev em Xangai.

Como pode-se notar, já vem sendo utilizado materias supercondutores, mas ainda existem muitas pesquisas para se tornar cada vez mais possível a utilização de supercondutores em ambientes convencionais.

REFERÊNCIAS:

LEE, J. D. Química inorgânica não tão concisa. São Paulo: Blucher, 1999.

HOUSECROFT, Catherine E., SHARPE, Alan G. Química Inorgânica. Vol. 2, 4ª ed.Livro eletrônico, 2013.

Maior cabo supercondutor do mundo será instalado na Alemanha.