Tipos de materiais supercondutores e suas aplicações

Introdução

Os materiais supercondutores são uma classe notável de materiais que apresentam resistência elétrica zero e a expulsão de campos magnéticos (efeito Meissner) quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica (Tc). Desde sua descoberta em 1911 por Heike Kamerlingh Onnes, os supercondutores revolucionaram vários campos, desde imagens médicas até a transmissão de energia. Este artigo apresentará um resumo dos diferentes tipos de materiais supercondutores e suas diversas aplicações.

Tipos de materiais supercondutores

Os supercondutores podem ser amplamente classificados em duas categorias com base em sua temperatura crítica e propriedades magnéticas: Supercondutores Tipo I e Tipo II. Além disso, eles podem ser categorizados com base em sua composição e cronograma de descoberta, como supercondutores convencionais, de alta temperatura e não convencionais.

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1. supercondutores tipo I

Os supercondutores do tipo I são principalmente metais puros e metaloides que apresentam supercondutividade em temperaturas muito baixas (normalmente abaixo de 30 K). Eles são caracterizados por uma transição brusca para o estado supercondutor e pela expulsão completa de campos magnéticos (efeito Meissner) abaixo de seu campo magnético crítico (Hc). Os exemplos incluem:

- Mercúrio (Hg): O primeiro supercondutor descoberto com um Tc de 4,2 K.

- Chumbo (Pb): Tc de 7,2 K.

- Alumínio (Al): Tc de 1,2 K.

Os supercondutores do tipo I são limitados em aplicações práticas devido a suas baixas temperaturas críticas e campos magnéticos.

2. supercondutores do tipo II

Os supercondutores do tipo II são materiais mais complexos, incluindo ligas e compostos, que podem suportar campos magnéticos mais altos e têm temperaturas críticas mais altas. Eles permitem a penetração de campos magnéticos na forma de vórtices quantizados, permitindo que permaneçam supercondutores em campos mais altos. Os exemplos incluem:

- Nióbio-Titânio (NbTi): Amplamente utilizado em ímãs supercondutores para máquinas de ressonância magnética e aceleradores de partículas.

- Nióbio-estanho (Nb3Sn): Usado em ímãs de alto campo devido ao seu campo crítico mais alto.

3. supercondutores de alta temperatura (HTS)

Os supercondutores de alta temperatura são uma classe de materiais que exibem supercondutividade em temperaturas significativamente mais altas do que os supercondutores convencionais (acima de 30 K). Eles geralmente são materiais à base de óxido de cobre (cuprato) ou à base de ferro. Os exemplos incluem:

- Óxido de cobre de ítrio e bário (YBCO): Tc de 92 K.

- Óxido de cobre de bismuto e estrôncio e cálcio (BSCCO): Tc de 110 K.

- Supercondutores à base de ferro: Descobertos em 2008, com Tc de até 55 K.

Os materiais HTS são particularmente promissores para aplicações práticas devido à sua capacidade de operar em temperaturas de nitrogênio líquido (77 K), que é mais econômico do que o hélio líquido.

4. supercondutores não convencionais

Os supercondutores não convencionais não seguem a teoria BCS tradicional da supercondutividade. Eles incluem:

- Supercondutores de férmions pesados: Materiais como CeCu2Si2, em que os elétrons se comportam como se tivessem uma massa extremamente alta.

- Supercondutores orgânicos: Materiais à base de carbono que exibem supercondutividade em baixas temperaturas.

- Diboreto de magnésio (MgB2): Um composto simples com um Tc de 39 K, que preenche a lacuna entre os supercondutores convencionais e os de alta temperatura.

Aplicações de materiais supercondutores

As propriedades exclusivas dos supercondutores levaram ao seu uso em uma ampla gama de aplicações em vários setores. Abaixo estão algumas das aplicações mais significativas:

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1. imagens médicas

Os ímãs supercondutores são a espinha dorsal das máquinas de ressonância magnética (MRI). Os supercondutores de nióbio-titânio (NbTi) são comumente usados para gerar os campos magnéticos fortes e estáveis necessários para a geração de imagens de alta resolução. A resistência zero dos supercondutores garante uma operação eficiente sem perda significativa de energia.

2) Aceleradores de partículas

Os materiais supercondutores são essenciais em aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC) do CERN. Os ímãs de nióbio-estanho (Nb3Sn) e nióbio-titânio (NbTi) são usados para criar os campos magnéticos intensos necessários para direcionar e focalizar feixes de partículas em velocidades próximas à da luz.

3. transmissão de energia

Os cabos supercondutores podem transmitir eletricidade com resistência zero, reduzindo significativamente as perdas de energia em comparação com os cabos de cobre convencionais. Os supercondutores de alta temperatura, como o YBCO, estão sendo explorados para uso em redes elétricas supercondutoras, o que poderia revolucionar a distribuição de energia.

4 Trens de levitação magnética (Maglev)

Os ímãs supercondutores permitem que os trens maglev flutuem acima dos trilhos, eliminando o atrito e permitindo viagens em altíssima velocidade. O trem SC Maglev do Japão, que usa supercondutores YBCO, atingiu velocidades superiores a 600 km/h.

5. Computação quântica

Os materiais supercondutores estão no centro dos bits quânticos (qubits) dos computadores quânticos. A junção Josephson, um dispositivo feito de dois supercondutores separados por um isolante, é um componente fundamental nos circuitos quânticos supercondutores. Empresas como a IBM e o Google estão aproveitando essa tecnologia para construir processadores quânticos poderosos.

6. Armazenamento de energia

Os sistemas de armazenamento de energia magnética supercondutora (SMES) armazenam energia no campo magnético gerado por uma bobina supercondutora. Esses sistemas podem liberar grandes quantidades de energia quase instantaneamente, o que os torna ideais para estabilizar redes de energia e fornecer energia de reserva.

7. Pesquisa científica

Os materiais supercondutores são usados em ferramentas avançadas de pesquisa, como os Dispositivos de Interferência Quântica Supercondutores (SQUIDs), que são magnetômetros altamente sensíveis capazes de detectar campos magnéticos extremamente fracos. Os SQUIDs são usados em campos que vão desde a geologia até a neurociência.

8. Energia de fusão

Os ímãs supercondutores são essenciais para confinar o plasma em reatores de fusão nuclear, como o projeto ITER. Os supercondutores de alta temperatura, como o YBCO, estão sendo usados para desenvolver reatores de fusão mais eficientes e compactos.

9. Exploração espacial

Os materiais supercondutores são usados em sistemas criogênicos para telescópios e detectores espaciais. Por exemplo, detectores supercondutores são empregados na astrofísica para observar sinais fracos de estrelas e galáxias distantes.

10. Aplicações industriais

Os materiais supercondutores são usados em motores e geradores elétricos para aplicações industriais. Esses dispositivos são mais eficientes e compactos do que seus equivalentes convencionais, o que os torna ideais para uso em turbinas eólicas e veículos elétricos.

Conclusão

Os materiais supercondutores transformaram a tecnologia moderna. Dos supercondutores Tipo I às variantes de alta temperatura e não convencionais, cada classe de materiais oferece propriedades e aplicações exclusivas. À medida que a pesquisa continua avançando, os supercondutores prometem revolucionar ainda mais os setores. Para obter mais materiais avançados, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Referências:

[1] Abd-Shukor, R.. High Temperature Superconductors: Materials, Mechanisms and Applications.

[2] Chao Yao, Yanwei Ma, Superconducting materials: Challenges and opportunities for large-scale applications (Desafios e oportunidades para aplicações em larga escala), iScience, Volume 24, Edição 6, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005095