O calor residual está ao seu redor. Em pequena escala, se o seu telefone ou laptop estiver quente, isso ocorre porque parte da energia que alimenta o dispositivo está sendo transformada em calor indesejado.

Em uma escala maior, redes elétricas, como linhas de alta energia, perdem mais de 5% de sua energia no processo de transmissão. Em uma indústria de energia elétrica que gerou mais de US $ 400 bilhões em 2018, isso é uma tremenda quantidade de dinheiro desperdiçado.

Globalmente, os sistemas de computador do Google, Microsoft, O Facebook e outros requerem uma enorme quantidade de energia para alimentar enormes servidores em nuvem e centros de dados. Ainda mais energia, para alimentar sistemas de refrigeração de água e ar, é necessário para compensar o calor gerado por esses computadores.

De onde vem esse calor desperdiçado? Elétrons. Essas partículas elementares de um átomo se movem e interagem com outros elétrons e átomos. Porque eles têm uma carga elétrica, à medida que se movem através de um material, como metais, que podem facilmente conduzir eletricidade - eles espalham outros átomos e geram calor.

Supercondutores são materiais que tratam desse problema, permitindo que a energia flua com eficiência através deles sem gerar calor indesejado. Eles têm grande potencial e muitas aplicações econômicas. Eles operam trens com levitação magnética, geram campos magnéticos para máquinas de ressonância magnética e recentemente têm sido usados ​​para construir computadores quânticos, embora ainda não exista um em pleno funcionamento.

Mas os supercondutores têm um problema essencial quando se trata de outras aplicações práticas:eles operam em temperaturas ultrabaixas. Não há supercondutores em temperatura ambiente. Essa parte da "temperatura ambiente" é o que os cientistas vêm trabalhando há mais de um século. Bilhões de dólares financiaram pesquisas para resolver esse problema. Cientistas de todo o mundo, incluindo eu, estão tentando entender a física dos supercondutores e como eles podem ser aprimorados.

Entendendo o mecanismo

Um supercondutor é um material, como um metal puro como alumínio ou chumbo, que, quando resfriado a temperaturas ultrabaixas, permite que a eletricidade se mova por ele com resistência absolutamente zero. Como um material se torna um supercondutor no nível microscópico não é uma questão simples. A comunidade científica levou 45 anos para entender e formular uma teoria de supercondutividade bem-sucedida em 1956.

Enquanto os físicos pesquisavam uma compreensão dos mecanismos da supercondutividade, químicos misturaram diferentes elementos, como o raro metal nióbio e estanho, e receitas experimentadas guiadas por outros experimentos para descobrir supercondutores novos e mais fortes. Houve progresso, mas principalmente incremental.

Simplificando, a supercondutividade ocorre quando dois elétrons se ligam a baixas temperaturas. Eles formam o bloco de construção dos supercondutores, o par de Cooper. A física e a química elementares nos dizem que os elétrons se repelem. Isso é verdadeiro mesmo para um supercondutor em potencial como o chumbo, quando ele está acima de uma certa temperatura.

Quando a temperatura cai até certo ponto, no entanto, os elétrons se tornam mais receptivos ao emparelhamento. Em vez de um elétron se opondo ao outro, uma espécie de "cola" surge para mantê-los juntos.

Mantendo a matéria legal

Descoberto em 1911, o primeiro supercondutor foi o mercúrio (Hg), o elemento básico dos termômetros antiquados. Para que o mercúrio se torne um supercondutor, teve que ser resfriado a temperaturas ultrabaixas. Kamerlingh Onnes foi o primeiro cientista que descobriu exatamente como fazer isso - comprimindo e liquefazendo gás hélio. Durante o processo, uma vez que o gás hélio se torna um líquido, a temperatura cai para -452 graus Fahrenheit.

Quando Onnes estava fazendo experiências com mercúrio, ele descobriu que quando foi colocado dentro de um recipiente de hélio líquido e resfriado a temperaturas muito baixas, sua resistência elétrica, a oposição da corrente elétrica no material, de repente caiu para zero ohms, uma unidade de medida que descreve a resistência. Não perto de zero, mas zero exatamente. Sem resistência, nenhum desperdício de calor.

Isso significava que uma corrente elétrica, uma vez gerado, fluiria continuamente sem nada para pará-lo, pelo menos no laboratório. Muitos materiais supercondutores foram logo descobertos, mas as aplicações práticas eram outra questão.

Esses supercondutores compartilhavam um problema - eles precisavam ser resfriados. A quantidade de energia necessária para resfriar um material até seu estado supercondutor era muito cara para as aplicações diárias. No início dos anos 1980, a pesquisa sobre supercondutores estava quase concluída.

Uma descoberta surpreendente

Em uma reviravolta dramática nos eventos, um novo tipo de material supercondutor foi descoberto em 1987 na IBM em Zurique, Suíça. Dentro de meses, supercondutores operando em temperaturas menos extremas estavam sendo sintetizados globalmente. O material era uma espécie de cerâmica.

Esses novos supercondutores de cerâmica eram feitos de cobre e oxigênio misturados com outros elementos, como lantânio, bário e bismuto. Eles contradiziam tudo o que os físicos pensavam que sabiam sobre a fabricação de supercondutores. Os pesquisadores estavam procurando por condutores muito bons, no entanto, essas cerâmicas eram quase isolantes, o que significa que muito pouca corrente elétrica pode fluir. O magnetismo destruiu supercondutores convencionais, no entanto, eles próprios eram ímãs.

Os cientistas procuravam materiais onde os elétrons pudessem se mover livremente, ainda nestes materiais, os elétrons estavam presos e confinados. Os cientistas da IBM, Alex Müller e Georg Bednorz, tinha realmente descoberto um novo tipo de supercondutor. Esses eram os supercondutores de alta temperatura. E eles jogaram de acordo com suas próprias regras.

Soluções evasivas

Os cientistas agora têm um novo desafio. Três décadas depois que os supercondutores de alta temperatura foram descobertos, ainda estamos lutando para entender como eles funcionam no nível microscópico. Experimentos criativos são realizados todos os dias em universidades e laboratórios de pesquisa em todo o mundo.

No meu laboratório, construímos um microscópio conhecido como microscópio de tunelamento de varredura, que ajuda nossa equipe de pesquisa a "ver" os elétrons na superfície do material. Isso nos permite entender como os elétrons se ligam e formam a supercondutividade em escala atômica.

Percorremos um longo caminho em nossa pesquisa e agora sabemos que os elétrons também se emparelham nesses supercondutores de alta temperatura. Há grande valor e utilidade em responder como funcionam os supercondutores de alta temperatura, porque esse pode ser o caminho para a supercondutividade à temperatura ambiente. Se conseguirmos fazer um supercondutor à temperatura ambiente, então, podemos lidar com os bilhões de dólares gastos em calor desperdiçado para transmitir energia das usinas às cidades.

Mais notavelmente, a energia solar colhida nos vastos desertos vazios ao redor do mundo poderia ser armazenada e transmitida sem qualquer perda de energia, que poderia fornecer energia às cidades e reduzir drasticamente as emissões de gases de efeito estufa. O potencial é difícil de imaginar. Encontrar a cola para supercondutores em temperatura ambiente é a próxima questão de um milhão de dólares.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.