As últimas três semanas testemunharam a dramática ascensão e queda de um novo candidato ao santo graal da ciência dos materiais: um supercondutor que funciona à temperatura ambiente. Em 22 de julho, uma equipe de pesquisadores na Coreia do Sul relatou suas descobertas sobre um composto chamado LK-99, alegando que sua descoberta era um “novo momento histórico” que “abriria uma nova era para a humanidade”. Seguiu-se um frenesi turbulento de discussões on-line sobre física e publicações rápidas, apenas para fracassar duas semanas depois. LK-99, ao que parecia, foi um fracasso.
O interesse público em torno do LK-99 foi um fenômeno social tanto quanto científico. O grande volume de discussões online em quadros de mensagens, bate-papos em grupo, Reddit e X, o aplicativo anteriormente conhecido como Twitter, chamou a atenção de cientistas que começaram a fazer simulações e experimentos para replicar ou refutar as alegações da equipe coreana. Por um breve momento, um grande público de pessoas novas na supercondutividade encontrou um súbito fascínio por uma área de nicho da ciência dos materiais, buscando uma resposta para uma pergunta raramente ouvida, mas profunda: a humanidade acabou de entrar em uma nova era de ouro?
Sempre que a energia elétrica passa por uma linha de transmissão, parte é perdida como calor residual, uma taxa onipresente imposta pelas leis da natureza. O potencial milagroso dos supercondutores é que eles transportam eletricidade por grandes distâncias com eficiência perfeita. Se algum dia descobrirmos como fabricá-los de forma barata e fazê-los funcionar à temperatura ambiente, em vez de apenas centenas de graus abaixo de zero, isso revolucionará nossa economia e ajudará a salvar o meio ambiente. Os supercondutores também podem realizar proezas como poderosos campos magnéticos e levitação no ar, permitindo novas categorias de dispositivos eletrônicos, computadores e meios de transporte.
Infelizmente, o material de temperatura mais alta atualmente conhecido por superconduzir só o faz a -10 graus, enquanto precisa ser colocado sob uma pressão de cerca de 1,9 milhão de atmosferas. Materiais que superconduzem à pressão ambiente requerem temperaturas abaixo de aproximadamente -150 graus, limitando seu uso a aplicações onde a engenharia criogênica vale a pena, como imagens médicas e física experimental.
Essas propriedades são possíveis em supercondutores pela maneira como os elétrons se movem de maneira diferente através deles do que através de metais comuns. Em cobre e outros materiais eletricamente condutores, imagine uma bola de corrente elétrica caindo no topo de uma máquina Plinko, quicando em pinos até o fim. Cada ressalto transfere um pouco de energia da bola para um pino – essa é a taxa de calor em ação. Em um supercondutor, as bolas de corrente elétrica deslizam suavemente, como bolinhas de gude ao longo de um trilho. Sem calor, sem energia perdida.
Uma rede elétrica ecológica
Os supercondutores à temperatura ambiente teriam o maior impacto na geração, transmissão e distribuição de energia. Atualmente, 8% a 15% de toda a energia produzida para redes elétricas é perdida como calor residual a caminho de ser usado. Nos Estados Unidos, isso se soma a dezenas de usinas nucleares de energia desperdiçada. O uso de supercondutores à temperatura ambiente em transformadores elétricos, que reduzem as altas tensões nas linhas de transmissão a níveis apropriados para uso doméstico, e geradores, que convertem energia rotacional em energia elétrica, poderia economizar outros 30% a 40% de energia desperdiçada, reduzindo a quantidade e complexidade dos materiais necessários para fazer esse equipamento em primeiro lugar.
As linhas de transmissão supercondutoras também permitiriam a transferência quase sem perdas de energia renovável por grandes distâncias. A energia gerada por enormes painéis solares nos desertos da Costa Oeste poderia abastecer mais facilmente as cidades da Costa Leste durante o inverno, e o armazenamento de energia baseado em supercondutores poderia substituir totalmente as baterias em escala industrial, resolvendo um dos principais desafios no desenvolvimento de energia renovável em escala. Esses sistemas de armazenamento funcionam permitindo que a corrente elétrica viaje em um loop sem fim e, como o faz praticamente sem perdas, pode continuar circulando nesse loop com muito pouca energia usada para mantê-lo funcionando. A energia total perdida ao carregar e descarregar uma bateria convencional é de cerca de 20%, enquanto em um sistema de armazenamento supercondutor, seria mais próxima de 5%.
Ressonâncias magnéticas melhores e mais baratas
Supercondutores de baixa temperatura são usados hoje em aplicações que requerem campos magnéticos poderosos, como máquinas de ressonância magnética. Um contribuinte significativo para a despesa dessas máquinas é o hélio líquido necessário para resfriar os ímãs a temperaturas criogênicas. Cada máquina de ressonância magnética requer cerca de 500 galões de hélio para operar, e os preços de fornecimento limitados e flutuantes de hélio podem aumentar o preço e limitar a disponibilidade de ressonâncias magnéticas para pacientes necessitados.
O limite de resolução dos exames de ressonância magnética é determinado pela força do campo magnético, e os supercondutores podem produzir campos magnéticos muito fortes. Máquinas mais baratas que operam sem resfriamento criogênico foram propostas, mas teriam uma resolução muito menor sem supercondutores, limitando sua capacidade de detectar condições de saúde pequenas, mas importantes. Os supercondutores à temperatura ambiente resolveriam esses dois desafios. Mais baratas, mais acessíveis e de maior resolução, as imagens médicas não invasivas podem transformar a qualidade da assistência médica diagnóstica – principalmente em países mais pobres que têm menos acesso a ressonâncias magnéticas hoje.
Transporte público de alta velocidade
Campos magnéticos de alta resistência produzidos por supercondutores também podem ser usados comercialmente para levitar trens de alta velocidade em uma fina almofada de ar acima dos trilhos. Essa tecnologia está em desenvolvimento no Japão há décadas, com trens maglev originalmente projetados para serem abertos ao público em 2027, rodando a velocidades de até 375 milhas por hora entre Tóquio e Nagoya. Nos Estados Unidos, uma linha de trem maglev foi recentemente proposta para transportar passageiros entre a cidade de Nova York e Washington, DC, em menos de uma hora.
Esses trens especializados são incrivelmente caros de construir e difíceis de projetar por causa de nossos materiais supercondutores atuais, limitando sua aplicação apenas aos corredores de passageiros mais movimentados e densos do mundo. Os supercondutores à temperatura ambiente simplificariam drasticamente o projeto e a engenharia de trens de alta velocidade, alcançando velocidades que tornariam as ferrovias competitivas com as companhias aéreas para viagens intermunicipais continentais. Como um bônus, esses trens poderiam funcionar com energia limpa, habilitada por supercondutores, eliminando os milhares de quilos de dióxido de carbono emitidos para transportar os passageiros em um voo doméstico.
Chips de computador de alta eficiência
Os transistores que alimentam todos os eletrônicos modernos têm limitações: eles só podem operar tão rápido e toda operação perde energia na forma de calor. A velocidade das operações do transistor de chips de computador aumentou constantemente até meados da década de 2010, quando atingiu os limites materiais de nossos atuais transistores baseados em silício. A densidade dos transistores em um chip de computador moderno também é fortemente limitada por nossa capacidade de remover o calor residual, e é por isso que os chips são retângulos pequenos e planos, geralmente com grandes dissipadores de calor presos ao topo, em vez de cubos sólidos.
Os chips de computador projetados com materiais supercondutores têm o potencial de serem cerca de 300 vezes mais eficientes em termos de energia e 10 vezes mais rápidos do que os atuais microeletrônicos baseados em silício. Eliminar o calor residual permitiria designs mais compactos, maior duração da bateria e um imposto menor em nossa rede elétrica para alimentar a economia digital. Por fim, podemos deixar quantas guias do navegador quisermos abertas.
energia de fusão
O papel mais empolgante que os supercondutores de temperatura ambiente podem desempenhar em nossa economia futura é a produção de energia limpa e barata. O recente surgimento de projetos de fusão nuclear com financiamento privado foi amplamente possibilitado pelos avanços na fabricação de fita supercondutora de alta temperatura, que gera campos magnéticos extremamente poderosos que prendem e confinam um gás quente e carregado chamado plasma a mais de 180 milhões de graus. Um supercondutor à temperatura ambiente feito de metais baratos amplamente disponíveis aceleraria dramaticamente o cronograma para substituir nossas formas de energia mais perigosas e poluentes – carvão e petróleo – por energia de fusão, que funciona pelo mesmo princípio que alimenta o sol.
A energia de fusão, se alguma vez chegar, é considerada a última fonte de energia que a humanidade precisará. Como o combustível para fusão pode ser extraído da água do mar, isso liberaria nossos suprimentos de energia da turbulência geopolítica que envia choques à nossa economia de tempos em tempos através dos preços oscilantes do petróleo e do gás natural. Para uma noção de escala, o hidrogênio de um galão de água do mar, quando queimado em um reator de fusão, libera aproximadamente a mesma quantidade de energia que mais de 1.000 galões de gasolina refinada. Energia ilimitada, livre de conflitos e livre de carbono reduziria o custo de quase todas as peças ou produtos, já que metade do preço de materiais comuns como aço e alumínio é o custo da eletricidade necessária para produzi-los.
Nosso dilema central no mundo moderno e ambientalmente consciente é que devemos aprender a fazer mais com menos. O motor da nossa economia exige crescimento constante para se sustentar. No entanto, também reconhecemos a necessidade de reduzir nosso impacto no mundo ao nosso redor e proteger o meio ambiente doente. Nossos incentivos e obrigações com o mundo material estão nos puxando em direções diferentes. O fascínio de um supercondutor de temperatura ambiente cresce à medida que nossa imagem econômica e ambiental escurece. É o tipo de material milagroso que poderia desacelerar as mudanças climáticas e, ao mesmo tempo, impulsionar a prosperidade econômica global, realizada por meio de novas tecnologias vistas anteriormente apenas na ficção científica.
Nos últimos dias, os cientistas publicaram vários novos relatórios mostrando que o LK-99 não é um supercondutor à temperatura ambiente, mas sim uma substância magnética bastante mundana que imita algumas das propriedades visuais características dos supercondutores, como levitar sobre um ímã forte, mas não o mais importante propriedade física de resistência elétrica zero. Em vez de encontrar ouro, os cientistas coreanos provavelmente descobriram uma nova forma de pirita.
Ainda não sabemos se o campo da pesquisa de supercondutividade se beneficiará dos novos caminhos abertos nas últimas semanas se muitos laboratórios continuarem investigando materiais semelhantes ao LK-99. É um campo em que a teoria e a experiência frequentemente se desafiam, e nossas expectativas sobre o que é possível têm sido frequentemente questionadas pelo que foi observado. Embora o interesse do público, sem dúvida, diminua por enquanto, uma promessa ousada permanece: uma era de ouro supercondutora pode estar no horizonte, e o papel da ciência é claro – encontrar uma maneira de nos levar até lá.
Ilustrações de Taylor Maggiacomo.
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