De avatares y superconductores

Avatar superconductor

Por eso estamos aquí: el inobtanio. Porque esta piedrecita gris se vende a veinte millones el kilo. Ese es el único motivo. Es lo que paga todo este montaje, lo que paga tus conocimientos científicos ¿capische?

Si hay algo que mueve el mundo es la búsqueda de recursos naturales. Los fenicios se patearon las costas de nuestra península para obtener plata y estaño. América al sur de Río Grande habla español porque nuestros antepasados se fueron allí a buscar oro y plata. Irak está hecho un desastre porque alberga un mar de petróleo. Y los mineros espaciales de Avatar recorrieron varios años luz para encontrar piedrecitas que se venden a veinte millones el kilo. La cuestión es: ¿qué hace que el inobtanio de Pandora sea tan enormemente caro que valga la pena montar una expedición interestelar?

La propia escena que he narrado al comienzo nos da una pista. En ella, el malo de turno coge una piedra que flota sobre una especie de cenicero. Más adelante, vemos una región llamada Montañas Aleluya, que literalmente flota en el aire, y donde algo llamado “vórtice de flujo” vuelve tarumba los instrumentos electrónicos. Ambas escenas nos sugiere cuál es la propiedad que hace del inobtanio un material tan valioso. Se trata de un superconductor a temperatura ambiente.

La superconductividad es una propiedad alucinante. Si usted está leyendo estas líneas, es porque una corriente eléctrica ha atravesado cientos de kilómetros desde la central eléctrica hasta el ordenador de su casa. El problema es que, durante el transporte, se ha perdido parte de la energía eléctrica. Esto se debe a que los electrones, mientras viajan por un medio material, van chocando contra los átomos que encuentra. Como consecuencia, parte de la energía eléctrica se pierde, lo que recibe el nombre de efecto Joule. La energía se pierde en forma, sobre todo, de calor, y eso es debido a una propiedad llamada resistencia eléctrica.

Hemos usado muchos trucos para reducir esa resistencia. Los cables que transportan corriente son de metal (generalmente cobre o aluminio), que tienen una resistividad muy baja. Cuando la transportamos, la corriente va en modo de alta tensión, lo que reduce la potencia perdida. Pero incluso con los mejores metales, el efecto Joule hace que se pierda mucha energía eléctrica en forma de calor. A veces, resulta muy útil, por ejemplo para estufas, hornos o tostadoras; otras muchas veces es sencillamente un desperdicio. De hecho, las bombillas de incandescencia (ahora en proceso de extinción) se calentaban mucho porque un gran porcentaje de la energía eléctrica se convertía en calor, no es luz.

Ahora bien, resulta que si ciertos materiales se enfrían por debajo de la llamada temperatura crítica, su resistencia eléctrica se hace cero. Ojo, no una cantidad muy pequeña, como los conductores, sino cero. Exactamente cero. Es lo que se llama un superconductor. La teoría aceptada hoy día para explicar la superconductividad es, en apariencia, poco intuitiva. En dicho estado, los electrones se mueven a pares. Resulta extraño decir eso, ya que los electrones se repelen mutuamente en condiciones normales. Pero si contabilizamos todas las fuerzas de todos los átomos sobre ambos electrones, y suponemos temperatura baja (y, por tanto, poco movimiento de los átomos), el resultado que nos sale es como si los electrones se atrayesen. Eso les permite ir, digámoslo poéticamente, como cogidos de la mano por el materia. La teoría completa, llamada teoría BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) incluye mecánica cuántica y otras especias sabrosas, pero esa es la idea básica.

Los materiales superconductores permiten hacer cosas que no se pueden lograr con los conductores normales. Permiten, por ejemplo, no perder energía por efecto Joule. También son la base para construir detectores de campos magnéticos increíblemente sensibles; tanto, de hecho, que se usan en diagnóstico médico para explorar los impulsos eléctricos del cerebro (dos palabra: resonancia magnética). Los trenes de levitación magnética se beneficiarán enormemente de la superconductividad, ya que no necesitaremos electroimanes que gasten corriente. La lista de aplicaciones es asombrosa.

Uno de los mayores beneficios sería el almacenamiento de energía eléctrica. Hasta ahora, no hay forma eficaz de guardar electricidad en grandes cantidades, y hay que fabricarla cuando se necesita. Puesto que la potencia eléctrica consumida varía con el momento del día, la mayor parte del tiempo tenemos muchas centrales de energía paradas y sin usar. Pero imaginemos que inyectamos una corriente eléctrica en un anillo de material superconductor. Dicha corriente, al no encontrar resistencia, giraría por el anillo durante un período de tiempo muy largo, hasta que la necesitásemos de nuevo. Y digo “un período de tiempo muy largo” porque no sabemos exactamente cuánto tiempo. En una ocasión, se mantuvo una corriente en un anillo superconductor durante nada menos que cinco años. Y probablemente aún seguiría girando, pero por desgracia a los investigadores se les acabó el helio líquido, no recibieron más a tiempo, el anillo se calentó y el efecto superconductor se esfumó.

Y ahí yace el problema. La mayoría de los materiales superconductores tienen una temperatura crítica enormemente baja. De hecho, la superconductividad fue vista por primera vez en 1911, cuando Heike Kammerling-Onnes comprobó que el mercurio era superconductor al enfriarlo hasta cuatro kelvins. Es decir, apenas cuatro grados por debajo del cero absoluto (el cero absoluto de temperaturas, o 0 K, es igual a -273,15 grados centígrados). Otros materiales tienen una temperatura crítica mayor. En los años 80, se armó un gran revuelo al descubrirse un conjunto de aleaciones cerámicas cuyas temperaturas superconductoras eran de “sólo” 80-100 K. Se les llamó superconductores de alta temperatura, aunque eso de alta era relativo, claro. Su gran ventaja era que, en lugar de necesitar helio líquido para su refrigeración, bastaba con enfriarlos con nitrógeno líquido, un material más fácil y barato. Una vez leí que el nitrógeno líquido vale, litro por litro, más o menos como la cerveza.

Aun así, los materiales superconductores requieren refrigeración, un proceso caso y engorroso. Imagínense lo que sería un material que fuese superconductor a temperatura ambiente. Todas las ventajas que les comenté antes, y muchas más, serían posibles sin necesidad de cerveza, digo de nitrógeno líquido. Representaría una revolución radical en nuestra tecnología. No me extraña, pues, que alguien del futuro decidiese que extraer inobtanio de Pandora sea rentable. Aunque a mí me cuesta creer este punto. Ahora mismo, podemos construir materiales superconductores mediante enfriamiento por nitrógeno líquido. Vale, es más engorroso y pesado, pero seguro que no nos cuesta veinte millones el kilo. Sin embargo, no voy aquí a discutir de fuerzas de mercado, sino de fuerzas físicas.

Algunos dirán en este punto: vale, Arturo, muy bonito el rollo, pero ¿qué tiene eso que ver con que la piedra esa flote en el aire en Avatar? Pues verán, resulta que hay varias propiedades interesantes de la superconductividad, y la resistencia cero al paso de corriente eléctrica sólo es una de ellas. Existe una propiedad llamada diamagnetismo. Un material diamagnético expulsa, en parte, el campo magnético externo, igual que un ejército débil pero decidido intenta plantar cara a un invasor poderoso. Pero los superconductores forman la defensa perfecta. Un superconductor impide el paso de cualquier campo magnético a su interior. Como resultado, se produce el llamado efecto Meissner: el material flota. Es un diamagnetismo perfecto.

Si quiere ver una analogía, túmbense horizontalmente, póngase una pelota de ping-pong entre los labios, y sople. El aire rodeará la pelota y la mantendrá suspendida en el aire. En el caso de los superconductores, es exactamente lo mismo, solo que sustituyendo el aire por un campo magnético.

Es el caso de la piedrecita de Avatar. El campo magnético del cenicero (o lo que quiera que fuese) era repelido por un material superconductor de alta temperatura. Es posible que también las montañas Aleluya tuviesen en su núcleo grandes bloques de inobtanio. Puede que el “vórtice de flujo” a que se referían en la película se tratase de una región con un campo magnético elevado, capaz de hacer levitar a pulso las rocas de inobtanio.

Hay otro indicio que apunta en esa dirección. Cuando pasan por allí, la piloto dice que tienen que volar sin instrumentos, porque las naves allí sufren interferencias electrónicas. Eso sería verosímil si hubiese allí un fuerte campo magnético. El efecto se llama inducción magnética: un campo magnético produce una corriente eléctrica sobre un conductor en movimiento, que a su vez genera otro campo magnético. Así funcionan los detectores de metales.

Claro que hay un par de cosas que no me cuadran. En una de las montañas Aleluya hay un campamento-laboratorio. ¿Cómo puede fuencionar todo el equipo electrónico de su interior en un campo magnético que afecta a los helicópteros? En principio, es posible, pero habría que ver si las ventajas valen la pena. Mi otra duda se refiere a la propia expedición de los humanos. Se supone que hay una gran veta de inobtanio bajo el árbol gigante, y por eso se enemistan con toda la población de pitufos gigantes. Y, sin embargo, a poca distancia tienen montañas enteras hechas de inobtanio, flotando en el aire. ¿Por qué no se limitan a enlazarlas, remolcarlas y depositarlas en una fundición?

Mientras llega el futuro, los investigadores del presente siguen analizando las propiedades de los materiales en el estado superconductor. Hace tan sólo unos días, unos investigadores japoneses publicaron unos resultados que, lo reconozco, parecen de broma. En concreto, analizaban un material compuesto de hierro, teluro y azufre, que tiene la particularidad de que alcanza un estado superconductor a baja temperatura cuando se le somete a una mezcla de agua y alcohol. Lo curioso es que, en un momento dado, a los investigadores se les ocurrió la siguiente idea: ¿y si, en lugar de alcohol y agua, probasen con bebida alcohólicas comunes? Tengo la impresión de que se les ocurrió durante una fiesta en el laboratorio: “Eh, Toshinori, ¿por qué no probamos con sake, a ver qué pasa?” “Sí, y luego escribimos un artículo, a que no hay huevos.”

Lo sorprendente del caso es que lo hicieron. Probaron con cerveza, sake, vino blanco, tinto, whisky y un licor llamado shochu. La temperatura crítica no varió mucho (de 6 a 7 grados sobre el cero absoluto), pero descubrieron que un mayor porcentaje de la muestra alcanzaba el estado superconductor cuando usaron bebidas alcohólicas: si la fracción del material superconductor no llegaba al 15% con etanol, aumentaba hasta casi el 40% con una simple cerveza. El campeón es el vino tinto: producía más de un 60% de material superconductor.

El problema ahora es explicar por qué pasa esto. ¿Cómo es posible que una cerveza, con un contenido en alcohol de apenas el 5%, produzca un porcentaje de material superconductor seis veces mayor que el etanol puro? Los investigadores proponen que el vino y la cerveza se oxidan fácilmente, y el oxígeno intercalado entre las capas del material induce el estado superconductor. Pero no se engañen, lo que vienen a decir es “no tenemos ni idea.” El artículo termina con el clásico aviso de que hay que hacer más pruebas.

Teniendo en cuenta que reciben subvenciones del CSIC japonés, y con lo imaginativos que son los japoneses (inventaron la comida con algas, el manga y a Godzilla), creo que me voy a plantar en la Universidad de Tsukuba y pedir un año sabático. Mucho mejor que viajar hasta Pandora, dónde va a parar.

2 Comentarios

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theapprenticephysicist

Una nota más que curiosa es que esos superconductores a alta temperatura aún no se comprenden. BCS no es capaz de describir su comportamiento y salvo P.W. Anderson, que lleva unos años afirmando que ya se entienden y su teoría los describe, ningún teórico tiene una teoría microscópica en forma cerrada que los describa de manera sencilla y elegante, de esas de andar por casa, como hace BCS con los de baja temperatura.

Alcala78

Comentar una pequeña errata:

“Es decir, apenas cuatro grados por debajo del cero absoluto…”

Será por encima del cero absoluto, lo que tú pones no es posible.

Un saludo y felicidades por tu trabajo de divulgación

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