El descubrimiento en marzo de 1987 de materiales superconductores a temperaturas de hasta 98 grados kelvin (175 grados Celcius bajo cero) ha revolucionado al mundo de la ciencia y de la tecnología. Debe recordarse que un superconductor consiste en un material que no presenta resistencia a la corriente eléctrica y que, por tanto, no disipa calor con la transmisión de energía.

Dichos materiales, que fueron descubiertos a principios de siglo, hablan permanecido en el mundo de la investigación y de la ciencia, debido a las bajas temperaturas (4 grados Kelvin o menos 269 grados centígrados) a que presentaban dicha propiedad y a los costos de operar en estas condiciones. Ahora, sin embargo, con el descubrimiento de materiales superconductores denominados de alta temperatura (menos 175º centígrados), se hacen posibles muchos productos y procesos comercialmente, ya que obtener estas temperaturas es comparativamente barato.

Se estima que varias decenas de miles de científicos, profesionales y técnicos en todo el mundo se han volcado a estudiar diversos aspectos de dichos materiales, ya sea sus propiedades básicas, la teoría sobre la cual opera la superconductividad, la tecnología para lograr materiales que tengan temperaturas, densidades de corriente y campos magnéticos críticos mayores, y desde luego los procesos para fabricar cables, películas delgadas, fibras y cristales.

En este articulo se discute la información más reciente publicada en revistas especializadas del tema y los antecedentes entregados en el Seminario Internacional "Super conductores y el futuro del cobre", realizado el 24 de julio de 1987 en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, en donde participaron científicos e ingenieros de la comunidad nacional, de los Estados Unidos y de Argentina.

El esfuerzo en investigación y desarrollo se ha centrado en Japón y los Estados Unidos, seguidos por Francia y la Unión soviética. Otros países europeos han otorgado menor importa al descubrimiento. Entre los países en desarrollo se ha destacado la actividad en el tema en la India, Brasil y Argentina.

Esta reacción del mundo científico y tecnológico no es exagerada. En efecto, lo que está envuelto en primer lugar son los futuros métodos, procesos. instrumentos y máquinas para generar, transmitir y almacenar la energía eléctrica. Sólo estas aplicaciones significan que el costo de la energía será reducido considerablemente. Se estima que la transmisión de electricidad podría ser un 20% más eficiente que la actual, ya que unos pocos cables superconductores podrían alimentar la energía de una gran ciudad sin pérdida alguna de energía. Por otro lado las plantas generadoras (sean estas hidroeléctricas, térmicas, atómicas u otras) podrán funcionar en base a máquinas superconductoras. Ello también es válido para generadores, motores, alternadores, turbinas magneto-hidrodinámicas, etc., que permitirán ahorrar una cantidad no calculada de energía, que hoy se disipa en la forma de calor o que no puede ser aprovechada. En un alternador superconductor, por ejemplo, el ahorro de energía con respecto a tecnologías no superconductoras puede ser de un 50% o más.

Las plantas generadoras podrán almacenar la energía producida en horas de bajo consumo, en circuitos superconductores. Esta energía podrá ser empleada en horas de alto consumo. Basta cerrar un circuito superconductor para almacenar la energía, ya que al no haber resistencia eléctrica en el circuito se almacena el campo magnético por un tiempo indefinido sin que haya pérdidas.

La reducción del costo de la energía trae consigo una serie de consecuencias imponderables, entre ellas un menor costo de los combustibles y de aquellos productos que sean intensivos para su producción. Entre éstos están casi todos los recursos naturales no renovables.

Debe agregarse que a medida que disminuye la importancia relativa de la energía en el costo de producción de bienes y productos, aumenta relativamente el valor agregado debido a "knowhow" y a tecnología, muchos procesos se tornan económicos y otros deben desaparecer. El reprocesamiento de materiales en general, en desmedro del uso de productos provenientes de fuentes primarias, es uno de los casos que se hace posible con energía más barata.


Tendencia a la electrificación

Otro efecto global de esta super energización es la tendencia a la electrificación de los sistemas energéticos. Esto favorece al cobre, como metal en un primer análisis, ya que prácticamente todos los usos eléctricos de hoy emplean cobre. Conversamente, cerca del 50% de los usos actuales del cobre corresponden a aplicaciones eléctricas. En otras palabras, hoy es cierto que la industria eléctrica necesita tanto al cobre como este requiere de aquélla.

Energía eléctrica más barata y disponible en todas partes parece indicar claramente hacia el transporte eléctrico. Un motor eléctrico construido en base a superconductores podrá pesar cerca de 10 veces menos que los actuales motores, y además será más eficiente que éstos. Si el motor de un vehículo eléctrico pesa menos, la fuente de almacenamiento de energía de dicho vehículo puede pesar más, de lo cual se concluye que con las cifras citadas, el alcance o autonomía del vehículo puede ser de al menos un 50% superior a lo que es actualmente. Esto significa que la autonomía podrá ser de unos 4000 más kilómetros (sin necesidad de recarga de la fuente de energía) en la década de 1990. cuando los motores superconductores entren en operación, lo que los hará competidores del motor de combustión. Hoy la limitación principal de los automóviles u otros medios de transporte eléctricos es su autonomía (entre 200 y 300 km. con sistemas que aún no son comerciales, y entre 40 y 80 km. para sistemas comerciales).

En términos del cobre, el balance pareciera ser positivo en un primer análisis en un vehículo eléctrico: un motor superconductor emplea menos cobre que un motor eléctrico convencional, pero más cobre que un vehículo actual que funciona en base a un motor de combustión.

Los sistemas eléctricos que empleen superconductores usarán mucho menos material que el que se emplea actualmente, pero habrá muchos más sistemas eléctricos que hoy. Debe tenerse en cuenta que todas las máquinas eléctricas convencionales de hoy funcionan en base a la excitación producida por un electromagneto, el que a su vez emplea un embobinado de cobre.

Una de las aplicaciones más importantes de los superconductores será en microelectrónica, en particular en computadores. Una unión Josephson (que consiste en la unión de dos superconductores separados mediante una película delgada aislante, produce un efecto similar al de rectificación de corriente de un transistor) puede reemplazar al semiconductor, empleado actualmente en la industria electrónica. Esto permitirá computadores mucho más rápidos y eficientes.

Cabe agregar finalmente que para las temperaturas en que se ha logrado superconductividad (menos de 98º k) las aplicaciones tecnológicas que serán económicamente viables serán aquellas de un tamaño importante, debido a la necesidad de tener un sistema de refrigeración y aislación de la temperatura. Parece estar claro hoy que a estas temperaturas seguirán empleando tecnología convencional los cables de conducción eléctrica de casas, edificios y calles, así como todos aquellos aparatos eléctricos menores, televisores, microcomputadores, equipos de audio, electrodomésticos, etc.


El impacto directo sobre el cobre

El material superconductor de 98º K tiene la fórmula MBa₂Cu₃O₇. El elemento M es cualquiera de los denominados tierras raras o lantanidos. Estos son el itrio, lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio. Muchos de estos elementos son relativamente abundantes (comparables al cobre) en la corteza terrestre, a pesar de su nombre. No se han encontrado antecedentes de prospecciones de dichos elementos en Chile.

El bario y el oxígeno pueden ser reemplazados en este compuesto por otros elementos que poseen similares estructuras y propiedades, respectivamente, pero hasta el momento el cobre no ha podido ser reemplazado exitosamente por otros metales. Sin embargo, como las posibilidades de reemplazo son muchas dentro de la tabla periódica de 40s elementos, no se puede descartar que en el futuro el cobre sea reemplazado dentro del compuesto superconductor óptimo.

En términos de peso en la fórmula indicada anteriormente y suponiendo que M es el itrio, se tiene que el 28.7% es cobre, el 41.4% bario, el 13.53% itrio y el 16.4% oxigeno. Sin embargo el problema es un tanto más complejo, ya que estos materiales superconductores deben estar protegidos del medio ambiente, en especial del oxigeno y del agua. El cambio de composición de oxígeno del material le hace perder sus propiedades superconductoras.

El concepto empleado actualmente es que dichos materiales deben tener una doble capa, la primera como estabilizador químico, constituida por plata u otros elementos o compuestos y la segunda como protector-estabilizador y conductor de emergencia, por cobre puro y denso. El grosor de la segunda capa depende de la aplicación misma. Por ejemplo en un superconductor de potencia, el cobre de la segunda capa debe servir para transportar la corriente en caso de que falle el material superconductor y en consecuencia el material de la primera capa (estabilizadora) debe ser también un conductor electrónico, lo que excluye a primera vista al óxido de cobre.

En una máquina eléctrica, sin embargo, el cobre de la segunda capa debe estar presente, pero seguramente no cumplirá funciones de reemplazo para el transporte de corriente ya que adicionalmente debería reemplazar las propiedades magnéticas del superconductor, cuestión que no puede hacer.

Lo anterior significa que en cables de potencia y con la actual tecnología de materiales superconductores, se usará más cobre que ahora, ya que éste reemplazará al aluminio. Pero el uso será restringido ya que el total de material empleado será pequeño en relación a las cantidades que se emplean hoy para transmisión eléctrica.

En cuanto al advenimiento de máquinas superconductoras, éste traerá consigo una notable disminución del uso del cobre en cada máquina o instrumento, lo que puede ser denominado como intensidad específica de uso. En un motor eléctrico por ejemplo se puede pensar en términos de 10 veces menos, incluso considerando las capas externas de estabilización y protección.

También los electromagnetos superconductores emplearán muchas veces menos cobre que el empleado actualmente en electromagnetos convencionales.

Se puede concluir entonces que los efectos directos serán desfavorables para el cobre.


La temperatura critica de los superconductores

La desaparición de la resistividad de un material es sólo la comprobación parcial de superconductividad. Es la medición del efecto Meissner lo que demuestra la existencia de superconductividad. Dicho efecto consiste en que el campo magnético del material superconductor es expulsado de él. En términos concretos esto significa que si se coloca un imán liviano sobre una plancha de material superconductor, el imán debería permanecer flotando en el aire.

Ha habido indicaciones de superconductividad (desaparición de la resistividad) en experimentos realizados recientemente a 225ª K en la Universidad de Houston, en los Laboratorios de Investigación de Palo Alto y en el laboratorio Nacional de Magnetos de los Estados Unidos. En la Universidad de Berkeley se ha visto el mismo efecto de disminución de la resistividad de una muestra hasta límites no detectabIes, a 230ºK, mientras que se ha reportado que al elevar la temperatura de dicha muestra hasta 292ºK (19º Celcius) ésta ha permanecido superconductora. Sin embargo no se ha podido detectar efecto Meissner en dichos materiales, lo que se atribuye a la formación de microfases superconductoras dentro de la masa del material que serían suficientes para transportar la corriente eléctrica sin oponer resistencia a dichas temperaturas, pero que no serian lo necesariamente masivas como para producir el efecto Meissner. Estas microfases que son el resultado de la transformación química del compuesto original, no han sido identificadas aún y tampoco se ha dado a conocer públicamente la composición de los materiales de los cuales se ha partido para llegar a estos resultados, pero se ha informado que ésta no seria muy distinta a la fórmula indicada anteriormente. Debe agregarse que existen dudas en la comunidad científica de que las mediciones realizadas en estos materiales indique superconductividad a muy altas temperaturas.

En otros lugares como Energy Conversion Devices de Michigan, Estados Unidos, se ha reportado también que sustituyendo una parte del oxígeno por flúor se obtiene desaparición de la resistividad a 150º K e indicios magnéticos de superconductividad a 280ºK (7º Celcius).

A juzgar por la rapidez con que se ha producido toda esta avalancha de resultados es posible que se detecte cuál es el compuesto o la familia de compuestos que son superconductores a temperaturas de entre 225 y 292ºK.

De identificarse y desarrollarse estos materiales en los próximos años el cuadro seria muy distinto que lo descrito anteriormente, ya que todas la aplicaciones eléctricas, incluso las más triviales y pequeñas, estarían al alcance de los superconductores. Es muy difícil predecir lo que podría pasar en esta eventualidad, pero a primera vista el balance para el cobre no sería bueno debido a la intensidad específica de uso tan pequeña de las tecnologías superconductoras.


El avance tecnológico y el conocimiento científico básico

El artículo que reportó por primera vez materiales superconductores de 93º K fue publicado en marzo de este año. Tres meses después, ya la IBM había anunciado la fabricación de películas delgadas de óxidos superconductores que sostenían densidades de corrientes criticas del orden de un millón de amperes por centímetro cuadrado a 4º K y de cien mil amperes por centímetro cuadrado a 90º K. Es decir, se había logrado superar en tres meses uno de los problemas claves en el desarrollo tecnológico de los superconductores, problema que había tomado cuarenta y cinco años resolver para los superconductores de baja temperatura. En efecto, fue recién en 1961 que se descubrió que un compuesto de neobio y estaño podía transportar densidades de corriente de cien mil amperes por centímetro cuadrado a 4º k, esto es 10 veces menos densidad de corriente que los óxidos superconductores.

Por cierto, los problemas tecnológicos de estos materiales no se han resuelto, pero el avance es asombroso. Resultados logrados en laboratorios de la IBM, publicados en mayo, fueron logrados en condiciones controladas muy particulares, en que el sustrato sobre el cual se formó el óxido superconductor tenía la misma estructura cristalina que el superconductor (titanato de estroncio), de tal forma que los cristales del superconductor podían lograr una orientación preferencial, reduciendo de esta forma el desorden producido por las interfases entre granos de material. Debe recordarse que estos óxidos son sintetizados como polvos. Se están investigando los métodos para lograr fabricar películas delgadas para alta densidad de corriente sobre otros sustratos, cables flexibles con las mismas propiedades, etc.

En la actualidad es difícil cuantificar el aporte de compañías privadas a la investigación en este campo, pero se estima que éste es mucho mayor que el aporte estatal, tanto en Estados Unidos como en Japón. Una discusión realizada recientemente en la comunidad científica en los Estados Unidos llegó a la conclusión que la industria impulsaría con su propio "vapor" las investigaciones en el campo, y que éstas estarían dirigidas a lograr aplicaciones tecnológicas para los superconductores. Las universidades e institutos de investigación deberían en cambio realizar investigación en aspectos fundamentales de superconducción, sin que se adjudiquen áreas preferenciales de desarrollo en el tema.

Existe un gran número de teorías que no tienen demostración actualmente, y que han surgido en este último tiempo como alternativas a la teoría de BCS (Bardeen Cooper y Schrieffer), aceptada para superconductores de la vieja generación. Si bien una teoría para los nuevos materiales no conducirá necesariamente a diseñar la estructura de superconductores de muy alta temperatura, podrá servir para fabricar materiales apropiados para aplicaciones tecnológicas, con altas densidades de corriente y campo crítico.

Las informaciones (reunión sobre nuevos mecanismos para la superconductividad. 26 junio, Berkeley, California) cuestionan incluso la estructura que hasta hace un mes se pensaba correcta para el YBa₂Cu₃C₇, argumentando que los átomos de cobre y oxígeno no están ordenados en planos y cadenas lineales. Esta aseveración conduce a invalidar las teorías que se han propuesto hasta el momento y que están basadas en la conducción de electrones en dichas cadenas lineales. Esta aseveración conduce a invalidar las teorías que se han propuesto hasta el momento y que están basadas en la conducción de electrones en dichas cadenas lineales.

En este mismo sentido, el Dr. Iván Schuller señaló en el Seminario "Superconductores y el futuro del cobre" que ahora es preciso profundizar el conocimiento fundamental sobre los superconductores de 90 a 98º Kelvin, ya que gran parte de las presunciones realizadas sobre dichos materiales superconductores no han sido comprobadas aún.


¿Que estamos haciendo en Chile?

Se ha constituido un grupo de estudio de los problemas de la superconductividad. Este grupo está integrado en la actualidad por físicos, químicos, cientistas de los materiales, ingenieros y economistas de varias universidades e instituciones tales como CODELCO Chile, la Comisión Chilena del Cobre, la Comisión Chilena de Energía Nuclear y el Centro de Investigaciones Minero Metalúrgico, CIMM. Dicho grupo se ha reunido en varias
oportunidades para discutir los avances mas recientes, sus implicaciones, los problemas básicos y los posibles proyectos que pueden realizarse en Chile. Debe agregarse que este grupo funciona ad-hoc y está abierto a cualquier científico y profesional interesado en el tema.

Entre los proyectos que ya se están realizando en Chile puedo contarse la fabricación de materiales superconductores de 90º Kelvin (Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, en colaboración con la Comisión Chilena de Energía Nuclear) y la explicación teórica del fenómeno (Facultad de Física, Universidad Católica).
También en forma muy reciente, un investigador del CIMM ha sintetizado varios materiales monofásicos de composición nueva, los cuales deben estar siendo probados para superconductividad.

Además hay varias memorias de ingeniería que se han iniciado (Fac. de Cs. Fis. y Mat., Universidad de Chile) con objeto de estudiar las implicaciones económicas para el cobre del advenimiento de tecnologías superconductoras, sin embargo, parece difícil en esta etapa tan temprana de hacer cálculos que implican el conocimiento de tecnologías que están desarrollándose aún.

Algunos de los proyectos posibles de realizar en Chile que se han discutido son:1- Estudio de las propiedades interfaciales de estabilidad química y termodinámica de los compuestos superconductores con óxidos de cobre y cobre. Este proyecto es de interés chileno, ya que con él se estarían desarrollando tecnologías que son esenciales para el uso del cobre y que posiblemente tienen una menor motivación desde el punto de vista internacional. Debe agregarse sin embargo que dicho proyecto es de mayor envergadura y que no se cuenta en la actualidad con equipos y laboratorios para efectuarlo en el país. 2- Fabricación de películas delgadas superconductoras, lo que hace de fácil acceso la fabricación y estudio de una serie de dispositivos e instrumentos tecnológicos, así como el estudio de las propiedades básicas de los materiales. Se ha dado, inicio a dicho proyecto (Fac. de Cs. Fis. y Mat., Universidad de Chile), pero las primeras experiencias podrán ser realizadas recién a partir del último trimestre de este año. Es preciso decir que el equipamiento disponible en la actualidad en Chile no permite competir en el campo de la fabricación de películas delgadas, con el trabajo que se está realizando en el mundo desarrollado; sin embargo, se pueden hacer algunos estudios fundamentales que resultan de interés. 3- Fabricación de sales y compuestos de cobre que pueden servir de punto de partida para la posterior sintetización de superconductores. Dichos compuestos son de alta pureza y por tanto tienen precios de venta extremadamente altos (equivalentes o mayores que el oro). Este campo está abierto para aquellos que diseñen procesos para lograr dichos compuestos a partir de cobre electrolítico o de soluciones de compuestos de cobre.

Entre las iniciativas importantes que se han tomado está la constitución de un banco de información de bibliografía sobre superconductores que contiene ya más de 2 000 páginas y que está abierto a todos aquellos que deseen tener acceso. En la formación de dicho banco, que está situado en la Universidad de Chile, están colaborando todos los miembros del grupo y particularmente se ha contado con el apoyo del centro de documentación técnica de CODELCO y de la dirección de investigación de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile.


Lo que se puede hacer en Chile

Tecnologías superconductoras entraron posiblemente a los mercados a partir de la década de los 90, cuando se comenzó a observar cambios masivos de tecnología.

En Chile, sin embargo, ya se ha sentido el primer efecto y éste no es otro que la demostración de cuán indefenso está el país a este tipo de acontecimiento. Es seguro que prácticamente todos los chilenos quisieran que el cobre aumentara o al menos mantuviera su importancia en los mercados mundiales, que su precio se elevara con los años.

Se ha demostrado en las páginas anteriores, sin embargo, que el futuro es incierto (la palabra futuro se refiere aquí a una década o más), que la demanda del cobre podría seguir su crecimiento actual (menos de 1% anual) o incluso mayor, pero que podría también sufrir una importante caída a partir de la próxima década a raíz de este nuevo descubrimiento. Nadie está en condiciones hoy de demostrar ni lo uno ni lo otro. Nadie puede asegurar hoy sí las desventajas de una menor intensidad específica de uso serán contrapesadas por un mayor uso debido a nuevas aplicaciones eléctricas superconductoras y convencionales en general.

Más aún, se ha dicho insistentemente que lo que se conoce hoy sobre los posibles usos de superconductores es sólo la punta del iceberg. ¿Qué hacer entonces? Ciertamente la decisión de Chile como país no puede ser cerrar los ojos y esperar el futuro sin tomar acciones.

Dos acciones se presentan claramente en la actualidad.

Primero, estudiar el problema de la superconductividad y sus efectos a todos los niveles con objeto de determinar las acciones que deben emprenderse para defender los usos del cobre en los niveles científicos, técnicos y económicos. Esto ya se ha comenzado a realizar, pero se requiere ahora de una decisión del estado para apoyar un proyecto específico sobre "defensa de los usos actuales del cobre e investigación de nuevas aplicaciones", temas en los que la superconductivídad jugará un rol fundamental.

Segundo, e independientemente de las conclusiones obtenidas del punto anterior, optar por otros caminos de sustentación del país, no basados en la explotación de recursos naturales sino que basados en algo que con el tiempo aumenta sistemáticamente de valor en comparación con aquéllos. El conocimiento científico y la tecnología.

Países de menor población que Chile y con escasos recursos naturales han logrado esto en la sociedad moderna. Por otro lado Chile posee el principal componente para lograr lo anterior: los cerebros. ¿Por qué no hacerlo entonces?

La decisión de realizar lo anterior es una decisión política estratégica del país, de largo plazo, que trasciende a éste y a otros gobiernos y que de adoptarse debe ser mantenida y su financiamiento garantizado por ley No se trata de crear instituciones nuevas sino que de aprovechar las actuales, reforzándolas, eligiendo los temas tecnológicos y científicos a los que se dará prioridad y orientando a la comunidad científica y técnica nacional a través del financiamiento de proyectos a trabajar en dichos temas. Esto no significa necesariamente eliminar los temas que no sean seleccionados, ya que puede existir un programa especial para temas generales.

Debe agregarse que lo que se sugiere aquí es invertir sumas mucho mayores que lo que actualmente se destinan a investigación en el país (sólo cabe recordar que Chile sólo invierte cerca del 0.5% del PGB en investigación, comparado con el 2.5% de los países desarrollados) y que más bien puede ser comparado con la magnitud de iniciativas de otros países latinoamericanos en desarrollar áreas específicas del conocimiento,como Argentina, Brasil y Méjico. Las grandes temáticas dentro de las cuales se circunscriben la mayor parte de los avances tecnológicos de hoy en el mundo son tres: Informática, biología y materiales. Estos temas deben ser el punto de partida para elegir cuáles serán los grandes proyectos de desarrollo científico y tecnológico chileno. Dentro del área de materiales, por ejemplo, se encuentran los superconductores y todos los otros materiales que contienen cobre, lo que se relaciona con el aspecto tecnológico de la defensa de los usos actuales del cobre y el desarrollo de nuevos usos. De aquí que apoyar este proyecto permite al mismo tiempo que realizar ahora una función útil para Chile con la promoción de los usos del cobre, adquirir velocidad para el despegue posterior al espacio de otros materiales. ¿Cómo limitar este espacio y cómo definir lo que se puede hacer en el tema de los materiales? está fuera de los objetivos de este artículo y será tratado en un artículo posterior.



Gustavo Lagos Cruz-Coke

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas,
Universidad de Chile.