Realizzato un cavo superconduttore ad alta temperatura critica su supporto "coated conductor" in grado di raggiungere una densità di corrente di 190 MA/cm2. Si tratta del valore assoluto più alto al mondo senza dissipazioni. Dell’esperimento internazionale è importante il peso del CNR
di Paolo Travisi
C’è anche l’eccellenza italiana del CNR nell’esperimento internazionale, che ha coinvolto la State University of New York At Buffalo e la McMaster University in Canada, e portato alla fabbricazione di un materiale basato su superconduttore ad alta temperatura critica e su supporto cosiddetto “coated conductor”, in grado di far scorrere al suo interno una densità di corrente elettrica estremamente rilevante, pari a 190 milioni di ampere per centimetro quadrato di sezione.
Il valore, misurato in Italia all’interno del laboratorio di misure magnetiche “LAMBDA”, coordinato dal professor Massimiliano Polichetti, del Dipartimento di Fisica dell’Università di Salerno e del Cnr-Spin di Salerno, ed ora in fase di ulteriore verifica anche negli Stati Uniti (perché con questi numeri non si scherza) potrebbe aprire orizzonti incredibili nella trasmissione di energia elettrica. Perché? Se quel valore venisse riconfermato, si tratterebbe in assoluto della più alta densità di corrente elettrica al mondo, ma soprattutto senza alcuna perdita di energia, ovvero a dissipazione zero. Ne abbiamo parlato con il professore Polichetti del CNR, partendo proprio dal ruolo del superconduttore.
Professore, qual è la funzione di un superconduttore?
Iniziamo prima dai materiali conduttori. Quando la corrente elettrica, ovvero un flusso ordinato di elettroni, viene fatta scorrere in un materiale conduttore, ad esempio il rame, una porzione dell’energia necessaria a far muovere questi elettroni viene dissipata e convertita in calore. Questo avviene a causa degli urti che gli elettroni stessi sono costretti a subire, della presenza di impurità e difetti vari. La tendenza di un conduttore ad ostacolare il movimento degli elettroni al suo interno va sotto il nome di “resistenza elettrica”, che dipende dalla lunghezza e dallo spessore del conduttore, ma anche da una caratteristica intrinseca del materiale, la “resistività elettrica”.
Nonostante siano molte le applicazioni che tutti i giorni usiamo e che si basano sulla resistenza elettrica, per esempio il forno di casa o il phon, si intuisce facilmente che dissipare energia rappresenti un problema non trascurabile. Giusto per fare un esempio, è stato calcolato che per compensare le perdite di energia dovute al processo di distribuzione, ogni anno viene generata dell’energia aggiuntiva a cui è associata una quantità di emissioni di CO2 paragonabile alle emissioni annuali degli autocarri o dell’intera industria chimica. Inoltre, la dissipazione di potenza elettrica aumenta con il quadrato della corrente elettrica che scorre nel conduttore, e se la corrente è troppo elevata, l’aumento di temperatura del materiale può essere così grande da portare addirittura alla fusione del materiale stesso. Per problemi come questo, possono venire in aiuto i materiali superconduttori, che al di sotto di una certa temperatura di ogni materiale, annullano la dissipazione.
Quali sono le caratteristiche del superconduttore ad alta temperatura critica e su supporto, il cosiddetto “coated conductor”, che avete usato nel vostro esperimento?
Si parla di superconduttori tradizionali (a Bassa Temperatura Critica) quando la loro temperatura critica è inferiore a circa 30K, ovvero 243 gradi sotto lo zero centigrado, poi nel 1986 sono stati scoperti i superconduttori ad alta temperatura critica (Tc), ovvero dei composti ceramici che mostravano dei valori fino ad oltre 110 K. Uno dei fattori più importanti di questa scoperta riguarda il fatto che per i superconduttori ad Alta Tc, la transizione allo stato superconduttore avviene a temperature superiori, circa -196°. Una delle applicazioni specifiche dei materiali superconduttori ad alta temperatura critica è la fabbricazione di cavi per il trasporto di corrente senza dissipazione, ma come detto, questi materiali sono dei composti ceramici e quindi non presentano le caratteristiche di flessibilità necessarie per poter realizzare un filo elettrico che conservi le proprie caratteristiche su lunghe distanze.
Il cosiddetto “coated conductor” invece, è un dispositivo per trasporto di elettricità in un materiale superconduttore ceramico che ha in genere la forma di un nastro piatto e che di fatto è composto da una serie di strati sovrapposti, ognuno dei quali svolge un ruolo che consente di ottimizzare le prestazioni finali del dispositivo. Tipicamente si parte da un substrato che in genere è fatto di un metallo o una lega, e che fornisce il supporto meccanico al dispositivo.
Senza entrare in complessi tecnicismi, potremmo paragonarlo ad una sorta di wafer sottilissimo – lo spessore è dell’ordine della decina di micron – e lunghissimo, anche km, in grado di sfruttare le proprietà di trasporto elettrico del superconduttore limitandone le problematiche meccaniche e strutturali.
I valori del vostro studio anche se già misurati, sono in attesa di una ulteriore verifica, ma una densità record di corrente elettrica di questa portata, ovvero 190 MA/cm2, cosa permetterebbe di fare?
La massima corrente che può scorrere senza dissipazione di energia in un superconduttore è detta “corrente critica”. Piuttosto che parlare di corrente, in genere si ragiona in termini di densità di corrente, ovvero di corrente elettrica per unità di sezione del materiale superconduttore, in quanto questo rappresenta una grandezza intrinseca del materiale, mentre la massima corrente elettrica dipende naturalmente da quale è lo spessore del materiale utilizzato. La massima densità di corrente elettrica che un superconduttore può trasportare senza dissipazione è pertanto detta “densità di corrente critica” ed il suo valore diminuisce con la temperatura a cui si trova il materiale ed in presenza di un campo magnetico.
Al momento, in letteratura è riportata la fabbricazione di coated conductors (“CC”) di superconduttori ad alta Tc pari ad almeno 130 milioni di Ampere per ogni cm quadrato di materiale (130MA/cm2), alla temperatura di 4.2 K ed in assenza di campi magnetici esterni, e lo studio che stiamo conducendo e che attualmente è nella fisiologica fase di verifica riguarda nuovi CC che mostrano di aver battuto ogni record portando il valore, nelle stesse condizioni, ad oltre 190 MA/cm2. Valori così elevati assicurano che anche a temperature maggiori o in presenza di campi magnetici, ovvero nelle condizioni più utili ai fini applicativi e commerciali, si possano far scorrere ancora correnti estremamente elevate senza dissipazione. Una delle applicazioni dei fili e cavi superconduttori è lo SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), ovvero delle enormi bobine in grado di immagazzinare l’energia sotto forma di campo magnetico, senza alcuna dissipazione.
Come potrebbe essere applicata questa innovazione?
Già soltanto questo sistema sarebbe in grado di rivoluzionare la gestione e l’approvvigionamento dell’energia elettrica. Se inoltre le grandi dorsali per il trasporto elettrico fossero fatte di materiale superconduttore, tutte le perdite associate alla resistenza elettrica, e le conseguenti emissioni di anidride carbonica per compensarle, verrebbero di fatto azzerate. La realizzazione di dispositivi denominati “fault current limiters”, permetterebbe di evitare sovraccarichi di tensione elettrica ed instabilità elettriche sulle reti di distribuzione.
Nel campo della produzione energetica, poi, dei cavi con prestazioni così elevate favorirebbero lo sviluppo della fusione nucleare commerciale e quindi la produzione di energia virtualmente illimitata e pulita. Anche in medicina, la disponibilità di fili con performance elettriche così elevate permetterebbe di costruire magneti più potenti per la risonanza magnetica nucleare, aumentando ulteriormente la qualità e la definizione delle immagini ottenute, e riducendo i costi. Ma le applicazioni sono ancora tante, passando per i trasformatori elettrici superconduttori, ai motori elettrici, ai treni a levitazione magnetica, alle navi e agli aerei elettrici, giusto per citarne qualche altra.
Questo superconduttore potrebbe avere un impatto nella produzione di energia rinnovabile?
Sicuramente potrebbe avere un impatto anche nel campo delle energie rinnovabili. Un esempio è proprio quello dello SMES a cui si è accennato, che potrebbe consentire di risolvere i problemi legati alla discontinuità nella produzione di energia da fonti rinnovabili. Per quanto riguarda l’eolico, sono già in fase avanzata di sperimentazione dei generatori fabbricati con fili superconduttori in grado di ridurre il peso delle turbine mantenendo la stessa efficienza, riducendo quindi la massa e le dimensioni, con risparmi notevoli nei costi di fabbricazione, installazione e manutenzione.
Perché porterebbe ad un netto miglioramento nel rapporto fra costi e prestazioni di cavi per il trasporto elettrico?
Uno degli ostacoli all’utilizzo dei materiali superconduttori in molte delle possibili applicazioni è di carattere economico. Infatti, la fabbricazione di cavi, fili e nastri superconduttori è piuttosto costosa e se le prestazioni non sono sufficientemente alte, non risulta economicamente vantaggioso sostituirli al rame. Lo sviluppo di una tecnica di fabbricazione di cavi particolarmente performanti, però, non solo fa sì che il rapporto costo/prestazioni possa migliorare aumentando le prestazioni, ma può stimolare il settore industriale ad investire nella produzione. Quando questo avverrà, il passaggio dal rame ai fili superconduttori potrà finalmente avvenire su larga scala.
Il lavoro scientifico è reperibile in formato Open Access sul sito di Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-024-50838-4)
