lunes, 9 de febrero de 2015

Levitación magnética con superconductores

Autor del artículo: G. Espino (Universidad de Burgos).


La superconductividad fue descubierta por el físico holandés Heike Kammerlingh Onnes en 1911 (Premio Nobel de Física en 1913), mientras estudiaba las propiedades de los metales a bajas temperaturas. El hallazgo tuvo lugar cuando Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio se anulaba completamente y de forma brusca al enfriarlo con helio líquido por debajo de -269 ºC. Onnes describió el fenómeno con las siguientes palabras:

"Mercury has passed into a new state, which on account of its extraordinary electrical properties may be called the superconductive state“. H. K. Onnes.

"El mercurio ha alcanzado un nuevo estado, el cual teniendo en cuenta sus extraordinarias propiedades eléctricas puede ser llamado estado superconductor". H. K. Onnes.




Introducción

El itrio (Y, Z = 39, Grupo 3) es un elemento poco conocido, pero con aplicaciones muy interesantes. Entre ellas destaca la obtención de uno los primeros superconductores de alta temperatura (YBa2Cu3O7 o YBCO). El descubrimiento, identificación y purificación de este elemento químico se produjeron gracias a una serie de acontecimientos un tanto azarosos entre finales del s. XVIII y principios del s. XIX. En 1787, Carl Arrhenius, un químico aficionado, identificó un nuevo mineral en una mina próxima a la ciudad de Ytterby, al lado de Estocolmo (Suecia), y envió muestras del mismo a varios químicos para su análisis, entre ellos a Johan Gadolin quien fue capaz de aislar e identificar un óxido desconocido (Y2O3), en la muestra ese mineral. Con el tiempo el mineral encontrado por Arrhenius, de composición muy compleja y variable (silicato de cerio, lantano, neodimio, itrio, berilio y hierro con trazas de otros elementos lantánidos (Ce,La,Nd,Y)2FeBe2Si2O10), pasó a llamarse Gadolinita en honor de Gadolin y a partir de él se obtuvieron e identificaron otros 3 óxidos desconocidos en aquel momento, es decir 4 en total (Y2O3Er2O3, Tb2O3 y Yb2O3) y posteriormente a partir de esos óxidos se aislaron 4 nuevos elementos químicos, todos los cuales recibieron nombres relacionados con la ciudad de Ytterby: itrio (Y, Z = 39), iterbio (Yb, Z = 70), terbio (Tb, Z = 65) y erbio (Er, Z = 68). Tanta originalidad ha confundido y sigue confundiendo a las distintas generaciones de estudiantes de química.




Figura 1. (a) Posición del itrio (Y) en el grupo 3 del bloque d. (b) Posición de terbio (Tb), erbio (Er) e iterbio (Yb) en la serie de los Lantánidos.

Superconductividad

Un material superconductor es aquel que pierde totalmente su resistencia al paso de la corriente eléctrica (R = 0 Ω) cuando se enfría por debajo de una determinada T característica de cada material, llamada temperatura crítica (Tc[1]. Actualmente, no se conoce ningún material superconductor a T ambiente. Lo cierto es que la resistividad eléctrica de los conductores metálicos disminuye gradualmente a medida que desciende su T, aunque muchos de ellos tienen una resistencia no nula incluso cerca del 0 absoluto. Sin embargo, la resistencia de los materiales superconductores disminuye bruscamente hasta hacerse nula por debajo de su temperatura crítica, Tc

Superconductores de baja y alta temperatura, y superconductores de tipo I y II

La superconductividad se observa en materiales muy diversos que incluyen metales (Al, Sn, Pb, Zn, Ti y Nb), aleaciones metálicas (Ti-Nb, Ge-Nb), materiales cerámicos y semiconductores fuertemente dopados (óxidos mixtos de cobre o cupratos), algunas formas alotrópicas del carbono (fullerenos y nanotubos de carbono), y otros compuestos derivados del fullereno, como K3C60. Sin embargo, no se da en los metales ferromagnéticos (Fe, Co y Ni), ni en los metales de los grupos 10 (Ni, Pd y Pt) y 11 (Cu, Ag y Au), ni tampoco en la mayoría de los metales alcalinos y alcalinoterreos. Además, en la mayoría de los casos la Tc es extremadamente baja, muy por debajo del punto de ebullición del nitrógeno (superconductores de baja T), e incluso por debajo del punto de ebullición del helio, lo cual limita mucho sus posibles aplicaciones.

Los superconductores de alta temperatura son aquellos con una Tc superior a la Teb del nitrógeno (Teb (N2) = 77 K = -196 ºC). Fueron descubiertos por Müller y Bednorz en 1986 en varios óxidos mixtos de cobre de tipo cerámico y con estructura de perovskitas. El ejemplo paradigmático es el óxido mixto de itrio, bario y cobre, de fórmula YBa2Cu3O7, al que también se conoce como oxocuprato de itrio y bario 123, debido a las proporciones de los elementos metálicos. El hallazgo fue reconocido inmediatamente con el premio Nobel de Física en 1987, ya que facilitó el desarrollo de numerosas aplicaciones para estos materiales. No obstante, a día de hoy todavía no existe un modelo teórico que permita explicar de forma convincente la superconductividad en este tipo de óxidos mixtos.

Tabla 1. Algunos superconductores (SC) de baja y alta temperatura y su correspondiente Tc.


Por otro lado, existen dos tipos de superconductores en función de su comportamiento frente a la variación de la magnitud del campo magnético externo. 
  • Superconductores de tipo I: experimentan una pérdida repentina del estado superconductor cuando la magnitud del campo magnético externo supera un valor característico del material, (campo magnético crítico, Hc).
  • Superconductores de tipo II: muestran una pérdida gradual la superconductividad por encima de un determinado valor de la magnitud del campo magnético externo característico del material. Todos los superconductores conocidos de alta T son de tipo II.

Preparación de superconductores de alta temperatura de tipo cuprato (YBa2Cu3O7)


La preparación del cuprato YBa2Cu3O7, se puede llevar a cabo calentando una mezcla homogénea de carbonatos de itrio, bario y cobre por encima de los 900 ºC durante 8-12 horas, y después a 450-500 ºC en presencia de oxígeno puro durante otras 12 horas como etapa final. También se pueden utilizar óxidos o nitratos como productos de partida de los elementos metálicos.


En la forma estequiométrica del compuesto, YBa2Cu3O7, los estados de oxidación formales son Y(+3), Ba(+2), Cu(+2.33) y O(-2). Esto quiere decir que el Cu presenta un estado de oxidación intermedio entre +2 y +3. Es como si en cada fórmula unidad hubiera 2 iones de Cu(+2) y un ión de Cu(+3). Ahora bien, este óxido tiende a perder oxígeno fácilmente durante su preparación para dar fases de composición no estequiométrica, YBa2Cu3O7-x (0 < x < 1), las cuales también son superconductoras por debajo de una determinada Tc característica, siempre y cuando el valor de x esté comprendido en el intervalo (0 ≤ x ≤ 0.65). En todo caso la Tc desciende considerablemente para valores de x > 0.1.

Efecto Meissner: levitación magnética con superconductores
Imán de neodimio levitando sobre un disco superconductor de YBa2Cu3O7 enfriado por debajo de su Tc con nitrógeno líquido (Foto: G.E.).
Los materiales superconductores presentan una propiedad intrínseca conocida con el nombre de efecto Meissner [2], que se manifiesta en su capacidad para expulsar o repeler el flujo magnético externo producido por un imán, cuando experimentan la transición desde el estado normal al estado superconductor, es decir por debajo de su Tc. Este efecto se explica como resultado de la corriente eléctrica inducida en la superficie del superconductor en presencia de un campo magnético externo de flujo variable, es decir, inducida al acercar el imán permanente al óxido mixto de YBCO (ley de Faraday). Esta "supercorriente" continúa circulando incluso después de que se detenga el movimiento del imán y genera, a su vez, un campo magnético que se opone y cancela o expulsa el flujo magnético del imán permanente del interior del superconductor. En otras palabras los polos del campo magnético inducido son una imagen especular del campo externo o permanente, de modo que producen una fuerza repulsiva o de levitación sobre el imán, que contrarresta la fuerza de la gravedad.

video

Video. Video que muestra el fenómeno de la levitación magnética de un imán de neodimio sobre un superconductor de YBa2Cu3O7 (G. Espino y L. D. Aguirre).

Bloqueo cuántico del flujo magnético (quantum locking)

Además, los superconductores de alta temperatura, o en general de tipo II, presentan una segunda propiedad singular y extraordinaria conocida con el nombre de bloqueo cuántico del flujo magnético (quantum locking o flux pinning). Esta segunda propiedad permite colgar o suspender en el aire un imán por debajo de un superconductor anclado a un soporte, o a la inversa, siempre y cuando imán y superconductor estén en contacto antes de provocar la transición (enfriamiento por debajo de la Tc), de tal forma que un flujo magnético constante haya estado atravesando el material justo antes de la transición al estado superconductor. Este fenómeno se explica debido a que, en realidad, en este tipo de superconductores, por debajo de su Tc, el campo magnético externo no se anula completamente, sino que queda parcialmente atrapado o retenido. En otras palabras el flujo magnético puede penetrar o atravesar parcialmente el superconductor a través de defectos en la estructura cristalina asociados a impurezas o zonas límitrofes entre granos, y lo hace mediante hebras o tubos de flujo magnético discretos, llamados vórtices, donde la superconductividad es destruida localmente (ver figura 2). Estos tubos de flujo bloquean al superconductor en el espacio en relación con el campo magnético, ya que inducen corrientes eléctricas y éstas a su vez generan sus respectivos campos magnéticos que bloquean cualquier tipo de movimiento en relación con el campo magnético externo.

Figura 2. Comportamiento de un superconductor de tipo I (arriba), y de tipo II (abajo) en presencia de un campo magnético (B) permanente.
Como resultado de ambas propiedades un superconductor de alta T, por debajo de su Tc, puede circular alrededor de una cinta o pista de Möbius de imanes permanentes sin más resistencia que la del aire, levitando cuando se encuentra por encima de ella y suspendido o colgando cuando se encuentra por debajo de ella. Ver los siguientes videos en youtube:
Conclusión: Los Superconductores de alta T son también superconductores de tipo II y son capaces de repeler y atrapar un campo magnético simultáneamente.

Trenes de levitación magnéticas (Maglev): una aplicación del siglo XXI

En los trenes de levitación magnética con superconductores (SCMaglev, Superconducting Maglev), que son un tipo particular de trenes de levitación magnética. Son trenes experimentales que utilizan campos magnéticos como sistema de suspensión o levitación y propulsión, lo que posibilita el movimiento del convoy sin tocar el suelo, y por lo tanto reduce la fricción, y permite alcanzar velocidades más altas. Además, el movimiento es más estable y silencioso que en los trenes de ruedas y su circulación no se ve afectada por las condiciones meteorológicas. La energía necesaria para conseguir la levitación no es muy grande comparada con la energía necesaria para superar la resistencia del aire. El record de velocidad para un tren tripulado fue establecido en diciembre de 2003 en 581 km/h en un tren de este tipo en Japón.

Tecnología SCMaglev: el sistema SCMaglev utiliza una suspensión electrodinámica, basada en imanes superconductores instalados en los coches del tren y en una serie de bobinas metálicas instaladas en las paredes del sistema de guía e interconectadas por debajo del carril. Cuando el tren acelera sobre unas ruedas de goma, los campos magnéticos de los imanes superconductores inducen una corriente en las bobinas del sistema de guía (debido al efecto de inducción de un campo magnético). Esto genera un campo magnético cuyas líneas de fuerza se oponen a las del imán superconductor (según la ley de Lenz). Cuando el tren alcanza una velocidad de 150 Km/h hay suficiente corriente como para levantar el tren 10 cm por encima del sistema de guía.

Agradecimientos: A Larry Danilo Aguirre y José Vicente Cuevas. A Gabriel García Herbosa, por introducirme en los misterios de la superconductividad.

Bibliografía

(1) Química Inorgánica. 4ª edición. P. Atkins, T. Overton, J. Rourke, M. Weller and F. Armstrong. 2008. McGraw-Hill.

(2) Química Inorgánica. 2ª edición. C. Housecroft and A. Sharpe. 2006. Pearson-Prentice Hall.
(3) Química General. 5ª edición. J. McMurry and R. Fay. 2009. Pearson-Prentice Hall.
(4) Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity




[1] Un Superconductor se convierte en un conductor perfecto por debajo de su Tc, de tal modo que una  corriente eléctrica generada en el mismo puede fluir indefinidamente a través suyo sin pérdida de energía, siempre y cuando la T se mantenga por debajo del valor crítico.
[2] El efecto Meissner fue descubierto por los físicos alemanes Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933.