Supercondutores: o que são e onde já são usados
Um supercondutor é um material que, abaixo de certa temperatura, conduz corrente elétrica sem nenhuma resistência. Um fio comum esquenta e desperdiça energia; num supercondutor, a corrente circula sem perda. O preço é o frio: a maioria dos supercondutores em uso comercial trabalha perto de 269 graus negativos, resfriada com hélio líquido.
Este artigo explica o que são supercondutores e onde eles já são usados, com os números de quatro aplicações reais (ressonância magnética, acelerador de partículas, fusão nuclear e trem de levitação) e as contas que mostram o que eles permitem. As fontes são a Fundação Nobel, o CERN, o projeto ITER, a Philips, a Siemens, a Nexans e a revista Nature.
O que é supercondutividade
O fenômeno foi descoberto em 1911 pelo holandês Heike Kamerlingh Onnes. Ele havia conseguido liquefazer o hélio em 1908 e, ao resfriar mercúrio, viu a resistência elétrica do metal desaparecer por completo a poucos graus do zero absoluto, segundo a Fundação Nobel. O prêmio veio em 1913.
Um supercondutor tem duas marcas, descritas no comunicado do Nobel de Física de 1987:
- a corrente elétrica flui sem resistência alguma;
- um campo magnético não consegue penetrar o material, ou só o penetra em parte.
A segunda propriedade está por trás da levitação de um ímã sobre uma pastilha supercondutora resfriada. E há limites: a supercondutividade some se a temperatura, o campo magnético ou a corrente passarem de um valor crítico. Os materiais usados em ímãs potentes são do tipo que continua supercondutor mesmo em campos fortes, em geral ligas e compostos, conforme o texto do Nobel de 2003.
A explicação teórica demorou décadas. John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer formularam, em 1957, uma teoria consistente, que lhes deu o Nobel de 1972.
A escada do frio
O que separa um supercondutor útil de uma curiosidade de laboratório é a temperatura em que ele funciona, porque é ela que decide o custo do resfriamento.
| Referência | Temperatura | Em graus Celsius |
|---|---|---|
| Ímãs do acelerador LHC | 1,9 K | −271,3 °C |
| Hélio líquido (ímãs do ITER, ressonância) | cerca de 4 K | −269 °C |
| Nitrogênio líquido | 77 K | −196 °C |
| Cerâmicas supercondutoras descobertas em 1986 e 1987 | acima de 90 K | acima de −183 °C |
| Ambiente | 293 K | 20 °C |
A conversão é K − 273,15. A linha que importa é a das cerâmicas. Em 1986, Georg Bednorz e Alex Müller descobriram supercondutividade num material cerâmico, e nos primeiros meses de 1987 outros grupos chegaram a temperaturas de transição acima de 90 K, segundo o comunicado do Nobel de 1987. Como 90 K fica acima dos 77 K do nitrogênio líquido, esses materiais podem ser resfriados com nitrogênio, sem hélio. O nitrogênio é tirado do ar e custa uma fração do hélio. São os chamados supercondutores de alta temperatura, embora “alta” aqui ainda signifique quase 200 graus abaixo de zero.
Onde os supercondutores já trabalham
Ressonância magnética
É a aplicação mais comum. O aparelho precisa de um campo magnético forte e muito estável, e um ímã supercondutor entrega isso sem gastar energia para manter a corrente. Há cerca de 50 mil aparelhos no mundo, segundo a Philips.
O ponto fraco é o hélio. Um aparelho convencional pode perder até 1.500 litros de hélio líquido de uma vez, conforme o nível de enchimento, quando o ímã deixa de ser supercondutor de forma súbita, segundo a Philips. Os modelos selados mais novos usam muito menos: 7 litros no ímã BlueSeal, da Philips, e 0,7 litro numa plataforma de 1,5 tesla da Siemens Healthineers. Perto desses 1.500 litros, os 7 litros do ímã selado são 7 ÷ 1.500 ≈ 0,5%.
O acelerador LHC
O Grande Colisor de Hádrons, do CERN, é a maior máquina supercondutora já construída. Os números oficiais: anel de 26.659 m, 9.593 ímãs, dos quais 1.232 são os dipolos principais, operando a 1,9 K. Cada dipolo tem 15 m e 35 toneladas, gera 8,3 tesla e conduz 11.080 ampères, segundo outra página do CERN.
As contas (nossas): os dipolos enfileirados somam 1.232 × 15 = 18.480 m, ou 18.480 ÷ 26.659 ≈ 69% do anel, e pesam juntos 1.232 × 35 ≈ 43.000 toneladas. A instalação está descrita em a engenharia do CERN e do Grande Colisor de Hádrons.
Por que não usar cobre
Um cabo de cobre de 1.000 mm² de seção, grosso como um pulso, tem resistência de cerca de 0,0172 ohm por quilômetro (resistividade de 1,72 × 10⁻⁸ ohm·m, valor de tabela). Com 2.300 ampères, a perda por calor é P = I² × R = 2.300² × 0,0172 ≈ 91 kW por quilômetro, em cada condutor (conta nossa). Com os 11.080 A de um dipolo do LHC, a perda seria 23 vezes maior, e num enrolamento compacto como o do dipolo o cobre não daria conta de dissipar esse calor. O supercondutor leva essa corrente num cabo fino, sem perda resistiva. A energia que se gasta é a da refrigeração.
Fusão nuclear
O reator experimental ITER, em construção na França, usa ímãs supercondutores para confinar o plasma. Os dados do projeto: 18 bobinas de campo toroidal em forma de D, de 330 toneladas cada, com campo máximo de 11,8 tesla e 41 gigajoules de energia magnética armazenada nessas bobinas (51 gigajoules no sistema inteiro); um solenoide central de 13 tesla; 10 mil toneladas de ímãs no conjunto, resfriados a 4 K; e mais de 100.000 km de fio supercondutor.
Para ter ideia dos 41 gigajoules das bobinas toroidais: são 41 × 10⁹ ÷ 3,6 × 10⁶ ≈ 11.400 kWh. Em energia de movimento, equivalem a cerca de 29 trens de alta velocidade de 410 toneladas a 300 km/h (conta nossa, com 1,42 gigajoule por trem). O projeto está em a construção do reator de fusão nuclear ITER.
As cerâmicas de alta temperatura abriram outra frente. Em setembro de 2021, um ímã de grande porte feito com esse tipo de supercondutor chegou a 20 tesla, num teste do MIT com uma empresa de fusão, segundo o instituto. O recorde de campo contínuo, de 45,5 tesla, foi anunciado em 2019 pelo laboratório nacional de campos magnéticos dos EUA, com uma bobina supercondutora dentro de um ímã convencional, segundo o laboratório.
Trem de levitação
O trem japonês de levitação magnética usa bobinas supercondutoras resfriadas a hélio líquido, a 269 graus negativos, e levita a 10 cm da via, segundo o governo do Japão. Em abril de 2015, ele bateu o recorde mundial de velocidade para veículos ferroviários, 603 km/h, cerca de 168 metros por segundo. A geração anterior de trens rápidos do país está em o Shinkansen, o trem-bala japonês.
Cabos de energia
Em Essen, na Alemanha, um cabo supercondutor de 1 km operou na rede da cidade de 2014 a 2021: 10 mil volts, 2.300 ampères e 40 MVA, segundo a fabricante Nexans. Cabos desse tipo são resfriados a nitrogênio líquido. A potência confere: √3 × 10.000 × 2.300 ≈ 39,8 MVA. A vantagem é levar a potência de uma linha de alta tensão num cabo de média tensão, sem subestação de alta tensão no centro da cidade. Os equipamentos que essa solução dispensa estão em como funciona um transformador.
E o supercondutor à temperatura ambiente?
Ainda não existe um confirmado. Dois artigos que anunciaram supercondutividade perto da temperatura ambiente, sob pressão altíssima, foram retirados pela revista Nature: um de 2020, retratado em setembro de 2022 por problemas no tratamento dos dados, e outro de março de 2023, retratado em novembro do mesmo ano. Também em 2023, um material chamado LK-99 foi anunciado como supercondutor à pressão ambiente, e outros laboratórios não confirmaram; não conferimos esse caso em fonte primária. Anúncios desse tipo aparecem de tempos em tempos, e o critério é esperar outros laboratórios repetirem o resultado.
Perguntas frequentes
O que é um supercondutor?
É um material que, abaixo de uma temperatura crítica, conduz eletricidade sem resistência e repele campos magnéticos.
Para que servem os supercondutores?
Principalmente para fazer ímãs muito fortes: aparelhos de ressonância magnética, aceleradores de partículas, reatores de fusão e trens de levitação. Há também cabos de energia.
Por que precisam de tanto frio?
Porque a supercondutividade só aparece abaixo de uma temperatura crítica, que nos materiais conhecidos fica muito abaixo de zero. A maioria dos que estão em uso trabalha a cerca de 269 graus negativos.
O que é supercondutor de alta temperatura?
É o de uma família de materiais, em geral cerâmicas, cuja temperatura crítica pode passar de 77 K, a temperatura do nitrogênio líquido, mais barato que o hélio. “Alta” é relativo: são quase 200 graus abaixo de zero.
Existe supercondutor à temperatura ambiente?
Não há nenhum confirmado. Os anúncios mais conhecidos foram retratados.
Os supercondutores já sustentam uma indústria, a dos ímãs de ressonância, e as maiores máquinas da ciência. O que limita o uso é o custo de manter o frio, e por isso cada grau a mais na temperatura de operação vale tanto. Outras tecnologias na mesma fronteira estão em arquiteturas de computadores quânticos e em inovações tecnológicas na engenharia.
Imagem de destaque: Ímã levitando sobre um supercondutor resfriado. Foto: Mai-Linh Doan / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.
