I superconduttori ad alta temperatura (HTS) sono materiali che possono condurre corrente diretta (DC) con zero resistenza elettrica a temperature significativamente superiori al punto di ebollizione di azoto liquido (77 K, o -196°C) Questa proprietà li distingue dai tradizionali superconduttori a bassa temperatura (LTS), che richiedono costosi candidati a raffreddamento ad elio liquido per operare. Le implicazioni pratiche sono enormi: HTS consente una trasmissione di energia più efficiente, magneti più forti per l'imaging medico

Fondamenti della superconduttività ad alta temperatura

La superconduttività fu scoperta nel 1911 da Heike Kamerlingh Onnes in mercurio raffreddato a 4,2 K. Per decenni la temperatura critica più elevata (Tc) rimase al di sotto dei 30 K, limitando l'uso pratico alle applicazioni specializzate ad alto costo, che cambiò drasticamente nel 1986 con la scoperta di superconduttori di calibri di Georg Bednorz e K. Alex Müller, che trovarono una soglia di rame a base di lantano

Il meccanismo sottostante in cuprati non è pienamente spiegato dalla teoria Bardeen‐Cooper‐Schrieffer (BCS), che descrive la superconduttività in materiali a bassa temperatura. In cuprati, gli elettroni si accoppiano attraverso forti interazioni elettroni-foniche mediate da fluttuazioni spinose antiferromagnetiche nei piani di rame-ossido.

Parametri di performance critiche per la selezione dei materiali

Quando si valuta un superconduttore, tre proprietà intrinseche definiscono la sua busta di prestazione: temperatura critica (Tc), campo magnetico critico (Hc2) e densità di corrente critica (Jc).

Temperatura critica (Tc)

Tc è la temperatura più alta a cui il materiale mostra una resistenza a zero DC. Per HTS, un Tc sopra 77 K è auspicabile perché l'azoto liquido è un criogenico a basso costo e abbondante. I valori Tc più elevati semplificano i requisiti di raffreddamento, riducono la complessità del sistema e abbassano i costi operativi. Tuttavia, Tc da solo non garantisce l'utilità; un materiale con una densità o una fragilità di corrente molto elevata ma scarsa può essere inadatto ad applicazioni come cavi di potenza.

Campo magnetico critico superiore (Hc2)

La superconduttività viene distrutta quando il campo magnetico applicato supera un limite specifico del materiale. Nei superconduttori di tipo II, che includono tutti i materiali HTS pratici, ci sono due campi critici: Hc1 (bassa quale flusso magnetico è completamente espulso) e HcRI2 (sopra quale il materiale ritorna allo stato resistivo normale).

Densità della corrente critica (Jc)

Jc è la densità massima corrente che un superconduttore può portare senza resistenza. In HTS, Jc dipende dalla temperatura e dal campo magnetico. A 77 K e auto-campo, conduttori rivestiti possono raggiungere Jc > 3 MA/cm2. Tuttavia, Jc si degrada in presenza di campi magnetici a meno che il materiale non contenga forti centri di pinning artificiali - difetti di scala che immobilizzano vortici magnetici di flusso.

Proprietà meccaniche e termiche

Per uso pratico, sono spesso incorporati in matrici metalliche (ad esempio argento o nichel-tungsten) per fornire supporto meccanico e tolleranza allo sforzo. Il coefficiente di espansione termica deve corrispondere al substrato per evitare la delaminazione durante il raffreddamento. Inoltre, il materiale deve resistere al ciclismo termico senza screpolature.

Stabilità chimica e resistenza ambientale

Molti superconduttori di cuprato reagiscono con umidità e anidride carbonica, degradando le loro proprietà superconduttive nel tempo. I rivestimenti protettivi o l'incapsulamento sono spesso necessari. La selezione dei materiali deve essere considerata per l'ambiente operativo, ad esempio, un cavo di alimentazione sepolto sottoterra può affrontare diversi estremi di umidità e temperatura rispetto a un magnete in un laboratorio.

Manufacturability and Cost

Anche il miglior materiale HTS è inutile se non può essere prodotto economicamente su scala. La facilità di formazione di fili o nastri di lunghezza lunga, la resa del processo di fabbricazione, e il costo delle materie prime (ad esempio, argento in BSCCO) sono critici. I cavi HTS di seconda generazione (conduttori rivestiti a base di YBCO) sono diventati commercialmente fattibili grazie alle tecniche di deposizione avanzata di film sottile o rimangono costosi rispetto ai LTS convenzionali.

Famiglie principali di materiali superconduttori ad alta temperatura

Sono state scoperte diverse famiglie di materiali HTS, ognuna con vantaggi e limitazioni distinti, mentre i più maturi e ampiamente utilizzati sono cuprati, ma i superconduttori a base di ferro e altri sistemi stanno attirando l'attenzione per le applicazioni di nicchia.

Ossido di rame di Yttrium Barium (YBCO)

YBCO (YBa2Cu3O7−δ) ha un Tc di circa 92 K, rendendolo il più noto e studiato HTS. Si cristallizza in una struttura perovskite stratizzata con piani in rame-ossigeno responsabili della superconduttività. YBCO è la base di fili di seconda generazione (2G) HTS, chiamati anche conduttori di posizione sottile YBCO.

I nastri YBCO raggiungono elevatissimi Jc (fino a 10 MA/cm2 a 77 K, autocampo) e mantengono densità di corrente significative in campi superiori a 30 T a temperature più basse (ad esempio 4.2 K).

Sfide chiave: YBCO è sensibile alla stochiometria dell'ossigeno, ai confini del grano (i confini del grano ad alto angolo riducono fortemente Jc), e allo sforzo meccanico. La produzione di conduttori rivestiti richiede processi sofisticati e basati su vuoto che mantengono i costi elevati.

Ossido di rame di calcio di Bismuth Strontium (BSCCO)

BSCCO esiste in due fasi principali: Bi‐2212 (Tc ≈ 85 K) e Bi‐2223 (Tc ≈ 108 K). Quest'ultimo ha il Tc più alto tra i fili HTS commercializzati. BSCCO è stato il primo materiale HTS ad essere prodotto in lunghe lunghezze come conduttori a forma di nastro, noto come fili HTS di prima generazione (1G) e viene prodotto utilizzando un metodo di lavorazione a polvere di fase in tubo:

I nastri bi‐2223 offrono un buon Jc a 77 K (circa 1 MA/cm2) e sono ampiamente utilizzati nei cavi di potenza dimostrativa, nei trasformatori e nei motori. Bi‐2212, pur avendo un Tc inferiore, è più flessibile e può essere fabbricato come fili rotondi, aprendo la porta per cavi di profilazione contorto che riducono le perdite di corrente alternata.

Sfide: BSCCO richiede una grande frazione di volume d'argento (fino al 40% per sezione trasversale) per il supporto meccanico e la condivisione corrente, rendendo il filo costoso. Il suo Jc scende rapidamente in campi magnetici moderati a 77 K, limitando il suo uso in magneti ad alto campo a meno che non raffreddati sotto 30 K. I confini della Grain sono meno problematici rispetto a YBCO perché BSCCO ha una struttura a grani più piastrale che alline meglio si alline sotto deformazione meccanica.

Tamburi a base di Thallium

I composti HTS basati su Thallium, come Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (Tc ≈ 125 K) e Tl‐1223 (Tc ≈ 120 K), hanno tra le più alte temperature critiche conosciute nella pressione ambientale, e sono stati scoperti poco dopo i primi cuprati e hanno attirato l'interesse per le loro fasi commerciali più pericolose rispetto a BSCCO.

Tappeti a base di mercurio

L'ossido di rame di calcio di bario di mercurio (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) contiene il record per il Tc più alto sotto pressione ambientale, circa 135 K, e anche più alto sotto pressione. Come il tallio, il mercurio è altamente tossico, e il materiale è difficile da sintetizzare in forma pura.

Superconduttori a base di ferro

I superconduttori a base di ferro (ad esempio SmFeAsO1−xFx, Tc ≈ 55 K; BaFe2As2 con Tc fino a 38 K) hanno dato vita ad una ricerca intensa, con strati di ferro-arsenido o ferro-selenide e presentano campi critici elevati, scarsa anisotropia e moderata duttilità meccanica rispetto ai coppeti inferiori.

Altri materiali notevoli

Il diboride di magnesio (MgB2) ha un Tc di 39 K, sotto la soglia HTS, ma merita di essere menzionato perché è economico, facile da produrre in fili, e ampiamente utilizzato in magneti MRI e applicazioni industriali. Si trova tra i superconduttori a bassa temperatura e ad alta temperatura e può essere raffreddato con idrogeno liquido o criocooler. Alcuni ricercatori classificano come una superconduttura “medium‐te.

Selezione dei materiali per applicazione

La scelta del miglior materiale HTS dipende dalle specifiche esigenze dell'applicazione. Di seguito sono le considerazioni chiave per i casi di utilizzo principali.

Cavi di trasmissione di potenza

I cavi di alimentazione HTS possono trasportare da tre a cinque volte la corrente dei cavi di rame convenzionali della stessa sezione trasversale, riducendo le perdite e l'impronta. Per i cavi sotterranei, i nastri Bi‐2223 sono stati il cavalletto di lavoro a causa della loro alta Tc, della produzione matura e del Jc accettabile a 77 K. Tuttavia, i conduttori di seconda generazione YBCO hanno preferito le nuove installazioni perché offrono una maggiore densità di corrente, una migliore resistenza meccanica e ridurre le perdite di corrente disalimentate in corrente.

Magneti per MRI e NMR

I sistemi di risonanza magnetica (MRI) e risonanza magnetica nucleare (NMR) si basano su campi magnetici stabili e robusti. I magneti NbTi e Nb3Sn convenzionali a bassa temperatura operano a 4,2 K. HTS possono operare a temperature più elevate, riducendo la potenza di refrigerazione o consentendo campi più elevati.

Limitatori di corrente di guasto (FCL)

Quando si verifica un guasto, le quenches superconduttore (viene resistivo) entro millisecondi, limitando la corrente di sovratensione. Il materiale deve avere una transizione acuta da supercondurre a stato normale, ad alta resistenza allo stato, e il recupero rapido. I nastri YBCO sono ben adatti perché il loro riscaldamento locale causa una rapida transizione di degrado.

Macchine rotanti (Motori e Generatori)

I motori e i generatori HTS riducono le dimensioni e il peso migliorando l'efficienza. Il rotore contiene tipicamente bobine HTS che creano un campo magnetico elevato. Le forze meccaniche e lo stress centrifugo richiedono una robusta architettura del conduttore. I conduttori rivestiti su substrati metallici flessibili sono preferiti su nastri BSCCO fragili perché tollerano meglio lo sforzo.

Levitazione magnetica (Maglev)

I treni e i sistemi di trasporto Maglev utilizzano le rinfuse o i nastri HTS per creare una levitazione stabile tramite pinning flux. I motori lineari Bulk YBCO (single domain o multi-grain) possono intrappolare campi magnetici di diversi tesla, consentendo la levitazione passiva. In alternativa, i motori lineari con le bobine HTS possono propellere i veicoli.

Sfide di produzione e scala-up

La produzione di materiali HTS in lunghezza, qualità e costi sufficienti è stata il più grande ostacolo alla commercializzazione di grandi dimensioni. Le ceramiche di cuprate sono intrinsecamente fragili; rendendole in conduttori flessibili richiede elaborati disegni compositi. Le due piattaforme principali sono:

  • First-generation (1G) wires[[] – nastri BSCCO a tubo in polvere, limitati in lunghezza da punti deboli meccanici e costo d'argento. Le lunghezze del pezzo massimo sono di poche centinaia di metri, che richiedono molte articolazioni.
  • Fili di seconda generazione (2G)[] – Conduttori con rivestimento YBCO, coltivati epitaxially su modelli textured. Le lunghezze continue di oltre 1 km sono ora possibili con deposizione assistita ion-beam (IBAD) o substrato biassiale a laminazione (RABiTS) metodi. La sfida è quella di mantenere il riscaldamento uniforme Jc su lungo.

Altri ostacoli di produzione: controllo del contenuto di ossigeno (critico in YBCO), soppressione dei legami deboli di confine di grano, e integrazione di stabilizzatori senza degradare prestazioni superconduttore. Il costo per kA·m rimane un ordine di grandezza superiore al rame per molte applicazioni, anche se continua a diminuire come volumi di produzione in aumento.

Future Outlook e materiali emergenti

La ricerca continua a spingere i confini delle prestazioni HTS.

  • Centratori di pinning artificiali[[]] – incorporando nanoparticelle o fasi non-superconduttive nella matrice YBCO per aumentare Jc in campi magnetici elevati.
  • I superconduttori basati su ferro[[] – con una minore tolleranza al limite di anisotropia e maggiore grano, possono eventualmente consentire fili policristallini più economici. I valori Tc superiori ai 77 K rimangono elusive, ma gli studi teorici suggeriscono che sia possibile.
  • Hydrides sotto pressione elevata[[[] – la superconduttività della temperatura ambiente è stata segnalata in composti ricchi di idrogeno (ad esempio H3S, Tc ≈ 203 K sotto 155 GPa; LaH10, Tc ≈ 250 K sotto 170 GPa) che richiedono pressioni estreme e non sono ancora pratiche, ma guidano la ricerca di superconformitÃ
  • Crescita del lusso e superconduttori di massa[[] – migliorare il campo intrappolato in grandi rinfuse per macchine rotanti e maglev.

I conduttori di YBCO forniscono attualmente la migliore combinazione generale di Tc, Jc e flessibilità meccanica, anche se a un prezzo premium. BSCCO rimane competitivo per specifiche applicazioni di campo inferiore, magnete ad alta temperatura. Come scale di produzione e nuovi materiali emergeranno, il paesaggio si evolverà, ma i criteri fondamentali di Tc, Hc2, Jc, e la guida all'affidabilità.

Per ulteriori informazioni, vedere l'articolo Wikipedia su superconduttività ad alta temperatura[[], la [overview of YBCO], e la Carta di natale sui recenti progressi in conduttori rivestiti.