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La nanotecnologia entra nel regno dei superconduttori

Ricercatori finanziati dall’UE sono riusciti a incrementare notevolmente la quantità di corrente che i film superconduttori sottili ad alta temperatura sono in grado di condurre, senza ridurre le lunghezze adatte all’uso commerciale. Questi risultati possono cambiare il modo in cui l’energia è prodotta e trasmessa, rendendo ad esempio possibili reti elettriche o motori e generatori senza perdite, nonché la produzione di magneti estremamente potenti.
La nanotecnologia entra nel regno dei superconduttori
Scoperta per la prima volta nel 1911, la superconduttività è una proprietà di alcuni materiali di condurre l’elettricità con delle perdite di potenza molto basse al di sotto di una certa temperatura. A differenza dei conduttori comuni come ad esempio il rame dove parte dell’energia è persa sotto forma di calore, che aumenta con la distanza percorsa dalla carica, i materiali superconduttori possono trasportare correnti immense senza generare attrito o perdite di calore, mostrando una soluzione reale per trasmettere in modo efficiente l’energia.

Tuttavia, i superconduttori disponibili sul mercato al momento funzionano a temperature molto basse, richiedendo l’uso del costoso elio, e quindi le principali applicazioni finora sono state in potenti magneti. Nuovi superconduttori che possono funzionare a temperature più alte aiutano a ridurre i costi eliminando il bisogno del costoso o complesso raffreddamento per mantenerli, o possono funzionare anche con elio liquido e generare dei campi magnetici ultra elevati. Sfortunatamente, essi sono troppo fragili per i normali procedimenti di formazione del filo.

Nell’ambito del progetto EUROTAPES (European development of superconducting tapes: Integrating novel materials and architectures into cost effective processes for power applications and magnets), finanziato dall’UE, i ricercatori hanno introdotto dei metodi innovativi per creare dei film sottili superconduttori con una temperatura di transizione alla superconduttività che raggiunge i 92 K (-181 °C) che possono trasportare efficientemente la corrente.

Il team del progetto ha inserito delle nanoparticelle con dimensioni ridotte fino a 4 nm nella matrice di film sottili epitassiali YBa2Cu3O7 (YBCO) prodotti combinando differenti metodi di deposito come ad esempio la deposizione laser pulsata e la deposizione di soluzione chimica (Ink Jet Printing) per ottenere il meglio di entrambi i metodi. Le minuscole particelle sono servite ad aumentare considerevolmente la corrente massima che i superconduttori sono in grado di trasportare senza perdite, persino con campi magnetici molto elevati.

Le attività del progetto hanno preso di mira tre differenti applicazioni che richiedono il collaudo dei conduttori in campi magnetici e intervalli di temperatura variabili per ottimizzare le prestazioni, una sfida chiave. Nello specifico, i ricercatori hanno sviluppato con successo: nastri superconduttori nanocompositi che hanno dimostrato buone prestazioni con campi magnetici ultra elevati (che superano 20 T) a temperature basse (4 K) usando elio liquido come refrigerante; motori e generatori in campi magnetici elevati (3-5 T) refrigerati con crio-raffreddatori a 30-50 K; e infine, cavi e limitatori di corrente superconduttivi con campi magnetici bassi (meno di 1 T) a temperature relativamente più alte (65-77 K) usando azoto liquido.

Anche se l’elio liquido è costoso, esso è attualmente il refrigerante utilizzato per la maggior parte dei superconduttori usati come magneti. I nuovi nastri superconduttori hanno dimostrato di avere alte prestazioni con campi magnetici ultra elevati e possono quindi essere usati per costruire una nuova generazione di potenti magneti.

Nuovi metodi a basso costo

Nonostante il fatto che i superconduttori ad alte prestazioni possano rivoluzionare completamente i nostri sistemi energetici, l’ostacolo maggiore alla loro implementazione è il costo di produzione. EUROTAPES ha offerto un’unità di produzione lunga 600 metri di nastro superconduttore, facendo diminuire ulteriormente il rapporto €/kA mediante l’uso di nuovi metodi e materiali per la loro fabbricazione.

Oltre alla deposizione laser pulsata, i ricercatori hanno anche fatto esperimenti con la tecnica della deposizione di soluzione chimica per lavorare più facilmente i film sottili YBCO. Il metodo prevedeva di mettere in sospensione delle nanoparticelle per formare inchiostri con soluzione colloidale e poi stamparli sopra a un substrato metallico per produrre il nastro. Una parte fondamentale della tecnica prevedeva il controllo della struttura e della stabilità degli inchiostri colloidali creati. “Conservare la struttura cristallina singola del nastro con molteplici strati in lunghezze di centinaia di metri è stata una delle sfide principali ad essere affrontate con successo da EUROTAPES,” afferma Xavier Obradors, coordinatore del progetto.

“Per aumentare ulteriormente la quantità di corrente che il nastro conduce, i conduttori epitassiali integravano dei materiali non superconduttori su scala nanometrica oltre ai materiali superconduttori che modificavano la struttura del film,” aggiunge Obradors.

I materiali nanocompositi, in particolare film sottili e rivestimenti, suscitano un grande interesse da parte dell’industria per molte applicazioni, e diverse metodologie sviluppate nell’ambito di EUROTAPES possono essere facilmente trasferite ad altri settori. Le applicazioni tipiche dove sono richiesti nano rivestimenti su grandi aree o grandi lunghezze includono le celle solari, le finestre elettrocromiche, le celle a combustibile e le batterie.

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Keywords

Superconduttore ad alta temperatura, reti elettriche, motori, EUROTAPES, nastri superconduttori