Superconductores HTS: la tecnología que promete una energía sin pérdidas

La superconductividad es una propiedad de algunos materiales que aparece a temperaturas muy bajas. Los científicos la observaron por primera vez en metales enfriados hasta la licuefacción del helio (-269 °C). En esas condiciones, los superconductores transmiten la electricidad sin pérdidas de energía, a diferencia de metales comunes como el cobre. Hoy en día, estos materiales se utilizan de forma habitual en escáneres de resonancia magnética. Sin embargo, la mayoría de sus aplicaciones siguen en fase experimental.

El físico Heike Kamerlingh Onnes descubrió la superconductividad en 1911 y recibió el Nobel en 1913. Desde entonces, este fenómeno ha despertado gran interés. Como no presentan resistencia eléctrica, los superconductores soportan corrientes muy altas y generan campos magnéticos que otros metales o aleaciones no pueden alcanzar.

Otra propiedad clave es la expulsión del campo magnético. Si colocamos un imán sobre un superconductor, este levita. Los trenes de levitación magnética se basan en este principio y, al eliminar la fricción, pueden superar los 500 km/h, explica Manuel Ricardo Ibarra, catedrático de la Universidad de Zaragoza. Además, los superconductores pueden atrapar el campo magnético y almacenar energía en forma magnética.

¿Qué son los superconductores HTS?

A pesar de las ventajas, la gran barrera de la superconductividad ha estado siempre en la necesidad de enfriar los materiales a muy bajas temperaturas para que aparecieran estas propiedades, lo que multiplica sus costes. Durante décadas, se buscaron alternativas de superconductores que trabajasen a otras temperaturas, pero sin éxito. En 1986, sin embargo, Karl Alexander Müller y Johannes Georg Bednorz descubrieron la superconductividad en óxidos cerámicos (un hallazgo inmediatamente reconocido por el Nobel de Física de 1987). Con ello, abrieron una nueva era en la investigación de la superconductividad: la de los superconductores de alta temperatura o HTS (por sus siglas en inglés).

Los HTS son materiales que también tienen que ser sometidos a temperaturas muy bajas para mostrar las propiedades superconductoras, pero no tan bajas como las de los primeros superconductores. En general, funcionan en un rango que va de los -243 a los -135 °C, en función del material utilizado, de acuerdo con el Mag Lab de Estados Unidos. Es decir, no funcionan a temperatura ambiente, pero sí a temperaturas más altas que los superconductores convencionales.

“Los óxidos superconductores de alta temperatura requieren temperaturas muy inferiores a la temperatura ambiente, pero constituyen un gran avance: para enfriarlos se utiliza nitrógeno líquido, un elemento abundante, más fácil de manejar y mucho más barato que el helio líquido utilizado anteriormente”, añade Ricardo Ibarra. “La panacea de la ciencia sería obtener materiales que fuesen superconductores a temperatura ambiente, pero hasta el momento esto no se ha encontrado”.

¿Cuál es el papel de los superconductores de alta temperatura en la transición energética?

Los HTS no son sólo algo teórico ni reservado al campo de la ciencia ficción. Sin embargo, a excepción de sus aplicaciones en resonancia magnética, su uso es mayoritariamente experimental y todavía están lejos de convertirse en materiales de uso generalizado. A pesar de todo, sus propiedades eléctricas (como transmitir la energía sin pérdidas o poder soportar corrientes muy elevadas) y magnéticas los han convertido en materiales muy interesantes tanto para el almacenamiento como para el transporte de energía.

Ventajas de los superconductores HTS: transmisión energética sin pérdidas

Los cables de las redes de transporte y de distribución de la energía eléctrica, las redes encargadas de conducir la electricidad desde los puntos de producción hasta el consumidor final están compuestos de materiales conductores como el cobre o el aluminio. Sin embargo, aunque estos materiales transportan muy bien la electricidad, no son perfectos: sus resistencias hacen que se pierda energía. Solo en la Unión Europea, en función de la red eléctrica y del país, puede perderse en la distribución entre un 2% y un 23% de la energía generada, según el Council of European Energy Regulators.

Los superconductores de alta temperatura eliminan estas resistencias y, por lo tanto, las pérdidas de energía. Existen proyectos piloto como AmpaCity, en Essen, Alemania, o la superestación eléctrica de Tres Amigas, en Estados Unidos, que llevan más de una década poniendo a prueba la tecnología HTS para mejorar el transporte y la distribución de la electricidad. “Estos proyectos, si bien son puntuales, han demostrado la fiabilidad técnica y la viabilidad operativa de los superconductores de alta temperatura”, señala el experto de la Universidad de Zaragoza.

Fusión nuclear, un campo interesante de aplicación de los superconductores HTS

Otro campo interesante de aplicación, aunque todavía más experimental que el anterior, es el de la fusión nuclear, una reacción en la que dos átomos de un elemento ligero se unen para formar otro más pesado, liberando gran cantidad de energía en el proceso. Para generar esta reacción, la misma que tiene lugar en el interior de las estrellas, es necesario aplicar mucha energía inicial y, también, ser capaz de contener el plasma y la energía resultantes, por lo que se trata de un proceso todavía en desarrollo y plagado de desafíos.

“Los reactores experimentales de fusión nuclear requieren la utilización de campos magnéticos muy elevados para lograr confinar el plasma que se genera, que llega a alcanzar temperaturas de unos 100 millones de grados Celsius. Este confinamiento magnético sólo puede ser producido por imanes superconductores”, apunta Ricardo Ibarra. Grandes proyectos de fusión nuclear como el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) y compañías como Tokamak Energy, en Reino Unido, los están poniendo a prueba. “Sin embargo, su utilización tiene complicaciones técnicas importantes, ya que estos superconductores han de refrigerar utilizando materiales costosos y voluminosos”, señala el experto.

¿Qué papel juegan los superconductores en las energías renovables?

El uso de HTS en las redes eléctricas podría reforzar el despliegue de las energías renovables al permitir transportar y gestionar grandes cantidades de energía con pérdidas casi nulas, algo clave para fuentes variables como la eólica y la solar. Pero, además, los superconductores de alta temperatura pueden almacenar energía magnética, lo que abriría nuevas opciones para guardar la energía sobrante en momentos de sobreproducción eléctrica y para regular la utilización de esa energía, evitando fluctuaciones de potencia en la red eléctrica.

Además, los HTS que hoy se están incorporando en algunos dispositivos médicos para generar campos magnéticos muy intensos y estables (como las máquinas de resonancia), también están permitiendo explorar el diseño de generadores eléctricos más compactos y potentes o el desarrollo de sistemas de transporte por levitación magnética. La irrupción de los HTS ha abierto nuevas puertas para la innovación en materia energética, pero la gran mayoría de usos están lejos todavía de convertirse en algo cotidiano.