• Articolo , 18 aprile 2007
  • La superconduttività e le sue applicazioni

  • Le specifiche della superconduttività, che vengono qui illustrate, rispondono al crescente fabbisogno energetico, anche con l’obiettivo di implementare l’utilizzo di fonti di energia rinnovabili e non inquinanti. Ecco un approfondimento su questo tema di stringente attualità

È ben noto, i materiali a comportamento metallico, caratterizzati da una elevata conducibilità elettrica, presentano una resistività elettrica r il cui valore dipende dalla temperatura. Tale comportamento è illustrato nella *figura 1* nel caso del rame, uno dei conduttori di uso più comune.
Come si può vedere r diminuisce con la temperatura fino a raggiungere, in prossimità dello zero assoluto, un valore di saturazione r0 piuttosto piccolo ma diverso da zero.
Esistono tuttavia sostanze (alcuni metalli puri, leghe, composti ecc.) che quando vengono raffreddate, al di sotto di una certa temperatura Tc, detta temperatura critica, presentano un brusco annullamento della resistività elettrica.


*Fig.1* _Grafico della dipendenza della resistività elettrica del rame dalla temperatura_

In tali condizioni la loro conducibilità diventa praticamente infinita e ciò giustifica il nome di “superconduttori”. Questo termine fu attribuito ad essi da Kamerlingh Onnes, lo scienziato cui si deve, all’inizio del secolo scorso, nel 1911, proprio la scoperta della superconduttività.
In *figura 2* è riportato il tipico andamento della resistività elettrica in funzione della temperatura per un superconduttore la cui temperatura di transizione è Tc.

*Fig.2* _Grafico della dipendenza della resistività elettrica dalla temperatura in un superconduttore_

È chiaro che lo stato fisico di un superconduttore è completamente diverso da quello in cui si trova comunemente un metallo. È più che giustificato allora parlare di “stato superconduttore” e di “stato normale” come due fasi distinte della stessa sostanza. Quindi diremo che per T < Tc il materiale si trova nella fase “superconduttrice” mentre per T > Tc esso si trova nella fase “normale”. Se un tale materiale viene immerso in un campo magnetico B esso permane nella fase superconduttrice fino a che B non supera un certo valore Bc (campo critico) caratteristico della sostanza. Per B>Bc viene ripristinato lo stato normale.
Bc dipende dalla temperatura ed è praticamente zero per T=Tc ed assume il valore massimo per temperature prossime allo zero assoluto.
Come effetto dell’annullarsi della resistività elettrica, un campione superconduttore può essere attraversato da una corrente elettrica senza che ai suoi estremi venga applicata una differenza di potenziale. Pertanto, in queste condizioni, la dissipazione ohmica scompare completamente, non essendo più valida la legge di Ohm.
Esiste tuttavia un limite massimo, per la corrente che può fluire senza dissipazione in un superconduttore, oltre il quale il materiale ritorna nella fase normale (resistivo). Tale limite prende il nome di “corrente critica” Ic e dipende dalla temperatura e dall’eventuale campo magnetico B presente.
Per utilizzare questi materiali è pertanto necessario mantenerli nello stato superconduttivo, cioè garantire che:

– la temperatura operativa sia inferiore a quella critica di transizione, Tc

– il campo magnetico esterno sia inferiore a quello critico Bc

– la corrente di trasporto sia al di sotto di quella critica, Ic.

I valori di queste grandezze, Tc, Bc, Ic dipendono dal materiale scelto
I superconduttori si suddividono in due grandi gruppi in base al valore della loro Tc. Gli LTS (Low Temperature Superconductors) sono stati i primi ad essere scoperti e la loro Tc è inferiore ai 20K, e gli HTS (High Temperature Superconductors), di ultima generazione, con Tc superiori a 30K.

h4. Campi di applicazione

L’enorme vantaggio offerto dai materiali superconduttori è quindi quello di permettere un flusso di corrente elettrica praticamente senza dissipazione (R=0 ohm). Questo comporta un notevole risparmio: basti pensare che la corrente che può trasportare un superconduttore è nell’ordine delle migliaia di A/mm2, rispetto ai pochi A/mm2 di un comune filo di rame.


*Fig. 3* _sezione di un tipico conduttore (diametro 40mm) costituito da fili superconduttori per applicazioni in campo fusionistico_

Grazie a questa caratteristica è possibile costruire magneti superconduttori in grado di generare campi magnetici di intensità molto elevata (intorno ai 10T, cioè circa un milione di volte il campo magnetico terrestre!) su volumi di parecchie decine di metri cubi, cosa impossibile da realizzarsi con i magneti tradizionali. Il prezzo che si deve pagare per ottenere tutto questo, non è solo quello dovuto all’energia necessaria a raffreddare i superconduttori, ma è anche l’elevato grado di tecnologia criogenica necessario al mantenimento di temperature molto basse.
L’impiego più diffuso e consolidato della tecnologia dei superconduttori è quindi rappresentato dai magneti ad alto campo, la cui applicazione è vastissima e per i quali vengono maggiormente utilizzati gli LTS, come il NbTi e il Nb3Sn, perché più sviluppati a livello industriale.
Gli HTS, per il momento sono invece più utilizzati per le linee di trasporto di corrente elettrica e nell’elettronica.

Di seguito si riportano i più importanti campi di utilizzo dei materiali superconduttori:

– solenoidi di piccole dimensioni, fino a 20T, sia per la ricerca che per la spettroscopia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) che per la MRI (Magnetic Resonance Imaging) . E’ richiesta alta omogeneità di campo e stabilità temporale

– solenoidi di grandi dimensioni essenzialmente per gli impianti per la fusione termonucleare controllata (fig.3)

– magneti per la fisica delle alte energie, sia per focalizzare ed accelerare i fasci di particelle negli acceleratori, sia per i rivelatori delle particelle stesse

– sistemi di accumulo di energia magnetica SMES (Superconducting Magnet Energy Storage)

– sistemi di trasporto basati sulla levitazione magnetica, dove sono richiesti campi magnetici elevatissimi

– sistemi meccanici senza attrito (cuscinetti magnetici,…)

– limitatori di corrente nelle reti di potenza

– trasformatori di corrente

– rivelatori di campo magnetico ad alta precisione SQUID

– motori magnetoidrodinamici (MHD) la cui realizzazione è possibile solo con magneti superconduttori

– macchine elettriche

In questi ultimi tempi si stanno sviluppando generatori superconduttivi collegati ad aerogeneratori, per rispondere al crescente fabbisogno energetico dei paesi sviluppati ed in via di sviluppo, nell’ottica di implementare, specialmente in Europa, l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili e non inquinanti.
Lo strumento per la conversione di energia meccanica (eolica o idrica) in energia elettrica è rappresentato dalle macchine elettriche sincrone, ed un notevole margine di miglioramento nelle loro prestazioni è rappresentato dall’incremento della potenza da esse sviluppata, che, nelle macchine tradizionali, è limitato dall’eccessivo aumento delle dimensioni che questo comporterebbe.


*Fig.4* _dimensioni vs. potenza in un generatore sincrono_


*Fig.5* _peso vs. potenza in un generatore sincrono_

Ed ecco in che modo entrano in gioco i suddetti superconduttori.
E così, proprio perché sono in grado di portare una corrente circa 20 volte superiore, a parità di dimensioni rispetto ai conduttori tradizionali (fig. 4,5), consentono un notevole aumento della potenza, mantenendo il volume contenuto e migliorando, inoltre, le prestazioni.
Infatti una macchina sincrona superconduttiva ha un’elevata efficienza (fig.6) anche a bassi regimi, quindi, per esempio, una pala eolica è in grado di funzionare anche quando la velocità del vento sia troppo bassa.


*Fig 6*

Un prototipo che dimostra non solo la fattibilità, ma tutte le potenzialità di un generatore elettrico che impieghi i superconduttori è stato sviluppato dalla Siemens, che ha dato il “la” a tutte le competenze in campo per ottimizzare il progetto.