Ciência

A Revolução dos Supercondutores

Fios de cerâmica capazes de transportar eletricidade sem perda de energia podem mudar a vida como a conhecemos

Por Da Redação SEGUIR SEGUINDO
Atualizado em 27 jul 2023, 13h40 - Publicado em 30 set 1987, 22h00

Capa da primeira edição da Superinteressante. — (Superinteressante/Reprodução)

A descoberta de um possível supercondutor capaz de funcionar em temperatura ambiente balançou o mundo da física – e trouxe o tema de volta ao noticiário. Supercondutores foram o assunto da reportagem de capa da edição n^o1 da Superinteressante, lançada em outubro de 1987. Abaixo, você confere o texto na íntegra.

Das antigas e delicadas porcelanas chinesas às sofisticadas telhas usadas para proteger do calor o nariz do ônibus espacial americano, a cerâmica tornou-se uma das técnicas mais bem conhecidas do homem. O que ninguém nunca imaginou, porém, é que ela podia também ser empregada para construir fios elétricos (pela simples razão de que sempre foi tida como péssima condutora de eletricidade e excelente isolante nas linhas de alta tensão).

Mas aquela convicção desmoronou em meados de 1986 quando, totalmente por acaso, dois químicos franceses tiraram do forno uma cerâmica capaz de fazer milagres. Ela não apenas era uma boa condutora de eletricidade, mas possuía eficiência absoluta, coisa nunca vista sequer em um fio metálico.

No novo condutor de barro , uma vez iniciadas, as correntes elétricas jamais se interrompiam. A partir de então, os pesquisadores começaram a sonhar com as mil e uma utilidades capazes de advir desse fio maravilhoso. Alguns cientistas chegaram a sugerir que estava aberta a via para a levitação qualquer um poderia andar sobre as águas, a exemplo de Cristo sobre o Jordão.

“Em vez de esteiras como as que existem nos aeroportos mais modernos, as pessoas poderão deslizar acima de um tapete magnético”, prevê, por exemplo, um dos mais imaginativos especialistas nas novas possibilidades da cerâmica Praveen Chaudhari, vice-presidente da empresa de computadores IBM. Todo fio que transmite eletricidade se transforma em um fraco imã, argumenta Chaudhari. A sua força se multiplica em uma bobina, que contém grande extensão de fio enrolado. Por isso, os poderes magnéticos dos fios de cerâmica criariam novidades fantásticas.

Mesmo os mais céticos acreditam que essas novidades começarão a invadir a vida cotidiana num prazo não superior a cinco anos. Uma usina como a de Itaipu fornece um bom exemplo das mudanças que poderão ocorrer rapidamente.

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Toda hidrelétrica desperdiça energia, pois, devido a contingências geográficas, está em geral sempre longe dos centros de consumo. No trajeto entre a usina e o consumidor perde-se energia, porque a resistência dos fios metálicos cria uma espécie de atrito que dificulta a passagem da eletricidade. A corrente elétrica acaba se transformando em calor, que não serve para nada. Estima-se que as perdas por esse motivo representam até 20 por cento da produção de energia. Esse desperdício poderá ser evitado com uma cerâmica supercondutora — isto é, capaz de transmitir eletricidade sem nenhuma resistência.

Em segundo lugar, haveria ganhos nos próprios geradores de Itaipu que, como todo motor elétrico, opera com o auxílio de bobinas eletromagnéticas. Com a eficiência dos novos eletroimãs, essas máquinas se reduzirão a um décimo do seu tamanho atual, multiplicando a sua potência. Mas há ainda um meio muito especial de aproveitar os supercondutores nas hidrelétricas: estocando a força da queda dos rios, à noite. Ela não pode ser usada por completo porque nesse período o consumo é muito baixo e não há para onde enviar a energia produzida. As máquinas “giram no vazio”, como dizem os operadores, enquanto o rio corre sem proveito. Mas uma bobina supercondutora poderia receber essa energia e mantê-la girando nos fios de cerâmica sem nenhuma perturbação. Pela manhã, conectada à rede de transmissão, a bobina devolveria a eletricidade estocada como se tivesse acabado de recebê-la.

O mesmo truque poderia ainda ser útil em um futuro carro elétrico — algo com que se sonha desde o advento da eletricidade. Esse carro, além de um motor reduzido, mais viável que os protótipos existentes, dispensaria também as baterias químicas, caras e pesadas, como fonte de energia: teria uma bobina supercondutora de estocagem elétrica no lugar dos tanques de gasolina.

Isso, se alguém ainda se animar a construir automóveis, ironiza Chaudbari, da IBM. Segundo ele, de fato, todo o sistema de transportes pessoais poderá ser alterado com possibilidades inesperadas, daqui para a frente. Bobinas magnéticas embutidas nos sapatos das pessoas poderiam carregá-las por toda a parte, sobre uma rede de tapetes magnéticos.

É verdade que os engenheiros ainda gastarão muitas noites sobre as pranchetas até que estas e outras maravilhas se tornem parte da vida cotidiana. Mas na Universidade de São Paulo já existe um modelo antigo de bobina supercondutora à base de fios metálicos super resfriados que tem o tamanho de um punho fechado mas é capaz de levantar um automóvel. Nada impede que as cerâmicas super condutoras revolucionem as máquinas elétricas que povoam casas, fábricas e escritórios no mundo moderno. Pois tudo que funciona com eletricidade poderá mudar — dos relógios de pulso e secadores de cabelo até as linhas férreas e os metrôs. “Os supercondutores são uma mina intocada de sonhos”, definiu de modo preciso e poético o especialista americano Paul Grant.

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De inicio, as descobertas surpreenderam os próprios cientistas. Poucos acreditaram que existia um material capaz de trazer para a temperatura ambiente os segredos do comportamento das substâncias em condições de frio absoluto — ou seja, perto dos 273 graus abaixo de zero. Ai, nessa fronteira silenciosa do Universo, onde já não há o mais leve vestígio de calor, ocorre a supercondução. Mas, para efeitos práticos, isso equivale a não haver supercondução alguma, pois o esforço de conservar um fio a tal temperatura não pagaria o resultado. Por isso, os supercondutores metálicos ficaram inicialmente confinados às instituições de pesquisa. A coisa muda de figura quando a supercondução pode ser criada em temperaturas mais amenas, a “apenas” 200 graus negativos.

Este é o horizonte descortinado pelas novas cerâmicas, uma simples mas extraordinária mistura de quatro elementos químicos relativamente fáceis de encontrar: cobre, oxigênio, bário e outro ingrediente que pode ser o lantânio ou algum dos seus parentes, como o ítrio. Basta misturá-los em determinadas proporções, moê-los e depois assá-los em um forno para ter à mão o novo material magnético.

Assim, quando se deram conta de que a descoberta era real, em toda a parte os cientistas lançaram-se a explorar melhor os seus ingredientes. A febre da supercondução mobilizou também os cérebros no Brasil. A corrida mundial começou em Zurique, Suíça, com dois pesquisadores da IBM local, George Bednorz e Alex Müller. Eles descobriram que uma certa cerâmica estudada na França, por motivo completamente diverso, era capaz de conduzir corrente sem resistência, a uma temperatura relativamente alta.

Até então, os supercondutores de metal funcionavam a cerca de 250 graus negativos. De imediato, a cerâmica elevava o patamar para 238 graus negativos — um espanto, pois desde 1911 a coluna do termômetro só havia avançado 20 graus, a contar do zero absoluto, até chegar aos 250 graus. Os primeiros testes de Müller e Bednorz, realizados com o lantânio na mistura de argila datam de janeiro de 1986 e foram publicados em setembro do mesmo ano. Logo em seguida, os seus números começaram a ser melhorados — especialmente pelo professor Paul Ching-Wu Chu, da Universidade de Houston, nos Estados Unidos.

Em novembro, Chu já havia se igualado aos europeus. Então, no decurso de uma verdadeira maratona contra o frio — da qual participam cientistas do mundo inteiro — ele acabou substituindo o lantânio pelo ítrio e estabeleceu o recorde: uma cerâmica supercondutora à temperatura de 181 graus negativos — três vezes mais do que o obtido nos 65 anos anteriores de pesquisas.

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A proeza foi realizada em fevereiro deste ano; de lá para cá, diversas combinações de argilas deram resultado idêntico. Apenas Chu e sua equipe acharam mais nove misturas, e os laboratórios Bell, nos Estados Unidos, testaram outras doze.

Em vários laboratórios ao redor do mundo já foram construídas cerâmicas supercondutoras em temperaturas bem mais elevadas. Os cientistas soviéticos anunciaram ter alcançado menos 23 graus. Pouco depois, divulgou-se que pesquisadores japoneses haviam conseguido o recorde dos recordes: 20 graus positivos. Mas, nos dois casos, o efeito durou apenas um par de horas.

A corrida prossegue para se chegar ao fabuloso supercondutor que se mantenha à temperatura ambiente. No entanto, os resultados obtidos até agora já garantem transformações tecnológicas profundas. As cerâmicas estão sendo manipuladas por técnicos especializados, que procuram transformar esse material quebradiço em peças práticas como fios, filmes ou placas.

O que causa furor no mundo da ciência e da indústria é a velocidade dos avanços. Apenas este ano os Estados Unidos vão gastar 38 milhões de dólares em pesquisas nessa área. A maior parte das dotações vêm do governo, mas também as empresas privadas estão fazendo planos: querem investir pesado nos produtos que podem nascer a partir das experiências. Pelo menos um bilhão de dólares devem rolar nessa direção, até 1990.

Alguns sonhos da supercondução já se converteram em realidade — ainda que, por enquanto, à base dos supercondutores antigos. Em primeiro lugar nessa lista estão os tomógrafos médicos que operam por ressonâncias magnéticas. Trata-se de uma espécie de máquina de raios X que se aproveita dos fracos ímãs existentes em todas as substâncias — especialmente nas moléculas do organismo. Uma bobina nos tomógrafos perturba as minúsculas cargas elétricas dessas moléculas. Um computador analisa as perturbações e assim pode dizer o tipo das moléculas examinadas e a forma do órgão em que estão contidas.

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Os tomógrafos atuais operam com supercondutores metálicos à base de nióbio mas para isso e preciso resfriá-los com gás hélio liquefeito. Eis o nó do problema: descoberto no Sol antes de ser avistado na própria Terra, é dificílimo manter o hélio em forma liquida, pois isso ocorre a cerca de 270 graus negativos e exige capas especiais de isolamento térmico, que custam 100 mil dólares a peça.

Se forem construídos com as novas cerâmicas, os tomógrafos poderão ser resfriados com nitrogênio líquido, a apenas 196 graus negativos, dispensando, portanto, os sofisticados protetores térmicos. Além disso, enquanto o suprimento anual de hélio custa aos hospitais em torno de 30 mil dólares, o nitrogênio custaria quarenta vezes menos, isto é, a bagatela de 750 dólares ao ano.

O mesmo poder de criar fortes perturbações magnéticas é que deu aos japoneses a ideia de usar a supercondução em seu Maglev. Essa máquina é um trem experimental que não precisa de trilhos: flutua sobre forças ou campos magnéticos fortíssimos, gerados por ímãs supercondutores.

Sem o atrito da roda com o trilho, o gasto de combustível para mover o comboio ferroviário é mínimo. Assim, a sua velocidade pode chegar a 524 quilômetros por hora — uma proeza alcançada já em 1979. Esse desempenho é quase duas vezes melhor que o do mais veloz trem em operação comercial no mundo, o TGV, que circula entre Paris e Lyon, na França, e atinge 298 quilômetros por hora.

O supertrem japonês — cujas imagens são o símbolo até agora mais vistoso da nova era tecnológica — opera com oito magnetos em cada vagão. Seus trilhos são milhares de bobinas enfileiradas no leito de uma ferrovia de oito quilômetros, onde é testado. Como a força magnética dos vagões aponta em direção oposta à força das bobinas – trilhos, o Maglev é mantido no ar a cerca de dez centímetros de altura. Só usa as rodas para pousar e decolar, como os aviões.

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Os governos parecem mais propensos a gastar grandes somas mas num instrumento formidável da pesquisa científica: os aceleradores de partículas, onde a força dos eletroimãs impulsiona fragmentos de átomos a altíssimas velocidades e os obrigam a se chocar violentamente entre si. Estudando os restos das colisões, os físicos esperam descobrir como o átomo é construído por dentro. Só nos Estados Unidos está se gastando 25 milhões de dólares com esses aceleradores, soma que deve subir para 300 milhões até 1990. Pelo menos metade dessa montanha de dinheiro será empregada em supercomputadores muito menores que os menores existentes no mercado.

O que impede a redução ainda mais acentuada dos computadores atuais é o calor criado pela resistência dos fios metálicos: à medida que os microcircuitos ficam cada vez mais compactados, o calor se concentra e tende a fundir os fios. Esse problema, naturalmente, não surge quando os fios não têm resistência, como nas cerâmicas. E por esse motivo, aliás, que os novos materiais de mil e uma utilidades não prestam para uma coisa: fazer chuveiros elétricos, que dependem de alta resistência para gerar calor e aquecer a água.

Mas não é só no tamanho que a supercondução vai melhorar os computadores: eles também deverão se tornar ainda mais precisos. Na Inglaterra, por exemplo, já se testou uma máquina supercondutora usada para fabricar circuitos eletrônicos mais eficientes. Ela pode criar detalhes até dois milhões de vezes menores que um metro, dobrando a precisão das atuais linhas de montagem. Em outro caso, um microcircuito dotado de fios supercondutores pôde dominar correntes elétricas infinitamente fugazes, que duram até dois trilhões de vezes menos que um segundo.

Nesses casos, o que está em jogo é a arquitetura microscópica das substâncias — o reino abissal das moléculas e átomos. A moderna ciência está cada vez mais próxima desses tijolos fundamentais da matéria, mas o seu mundo fica tão distante da nossa experiência que parece mágico.

É o que imaginou o escritor argentino Ernesto Sábato. “A física moderna parece uma feira de diversões, com salas de espelhos, labirintos de surpresas e homens que apregoam fenômenos”, escreveu ele em um artigo denominado “Física Escandalosa”, de seu livro Nós e o Universo. Afinal, dizem os físicos, mesmo o aço maciço é feito em sua maior parte de nada. Uma barra de qualquer material é de fato um agregado com um número imenso de partículas minúsculas que estão a grandes distancias umas das outras, comparativamente ao seu tamanho.

Essas partículas vivem em perpétuo movimento. São os átomos ou moléculas, aos quais se pode chegar, partindo e tornando a repartir as substâncias. Por exemplo, pode-se dividir uma laranja ao meio e depois dividir uma de suas metades novamente: se a operação for repetida apenas 38 vezes, será possível chegar aos seus átomos. Não é fácil como poderia parecer — os átomos são mais de cem milhões de vezes menores que um metro, e não se conhecem muitas facas capazes de cortá-los ao meio.

No entanto, já existem instrumentos para construir um material trabalhando molécula por molécula, como se fosse um quebra-cabeça infinitamente pequeno. Com os supercondutores, é preciso pensar em algo semelhante: como é possível projetar as moléculas de um fio? Quando se descobrir a resposta a esse desafio, será possível montar supercondutores que funcionem a qualquer temperatura.

A teoria não explica porque as atuais cerâmicas podem imitar um comportamento que normalmente só ocorre a baixíssimas temperaturas. Os físicos estão procurando adaptar ideias que foram elaboradas inicialmente na década de 50 e que resultaram no transistor. Segundo eles, quando não há calor, os átomos realizam uma espécie de balé altamente coordenado, que acaba levando à supercondução. Essa teoria demorou 45 anos para ser formulada, desde a descoberta da supercondução, em 1911.

Desde então, nada de novo havia surgido até que o pioneirismo dos suíços Müller e Bednorz os levasse à sua cerâmica, abrindo uma fronteira inesperada por onde a pesquisa pura poderá agora avançar.

Para saber mais:

Na era das cerâmicas

(SUPER número 11, ano 2)

Telas em língua de gente

(SUPER número 3, ano 6)

As cerâmicas se tornaram as campeãs da supercondução em temperaturas elevadas, mas os avanços nesse campo começaram em 1911, com a descoberta do fenômeno no metal mercúrio. Entre os supercondutores surgidos depois, os recordistas eram as ligas do metal nióbio.

Os elétrons brincam de dominós

Pode-se comparar a supercondução à conhecida brincadeira de derrubar dominós enfileirados. Esse jogo funciona apenas se a fila estiver muito bem arrumada: assim, quando o primeiro dominó é derrubado, o demais caem inevitavelmente um após o outro, em um movimento de cascata.

Na condução comum de energia elétrica pelos fios não há uma ordem adequada na fila de dominós: eles caem ao acaso, ou se chocando de raspão com as peças seguintes, ou mesmo tombando no vazio. O movimento se interrompe e é preciso fazê-lo recomeçar com outro empurrão.

A supercondução, de fato, é apenas uma forma de organizar o movimento das partículas que existem dentro de todo fio elétrico. O fio supercondutor é composto de átomos enfileirados, como no jogo de dominós, e a corrente elétrica é formada pelos elétrons, partículas que se soltam dos átomos a que pertencem.

Nesse caso, o movimento dos elétrons e dos átomos se torna perfeitamente harmonioso. Os elétrons nunca se chocam com os átomos ou entre si mesmo, e nem a corrente se transforma em calor — o responsável pela resistência elétrica nos cabos comuns e verdadeiro sinônimo de caos.

No fluxo normal da eletricidade, empurrados pela força dos geradores de energia — o que equivale ao empurrão nos dominós —, os elétrons avançam aos trambolhões. Acabam transformando a sua energia em calor, isto é, em movimento caótico dos átomos ou moléculas dos fios (moléculas são grandes grupos de átomos que se agregam nas substâncias).

A supercondução permaneceu um mistério até a Segunda Guerra Mundial. Ela havia causado grande espanto quando foi descoberta, no inicio do século, porque até então se pensava que todo movimento devia cessar na ausência de calor. É o que ocorre próximo dos 273 graus negativos — ou zero absoluto, como dizem os físicos, pois nada pode ser mais frio que isso. Por tal razão, dizia-se que calor é apenas átomos em movimento: se não há um, não há outro. Mas essa é uma conclusão apressada, mostrou o físico sueco Heike Kamerlingh Onnes, o descobridor da supercondução, em 1911, quando estudava o comportamento do mercúrio a baixas temperaturas.

Ele viu que, na ausência de calor, surgia de fato uma espécie de movimento perfeito entre átomos e elétrons. Apenas 45 anos mais tarde, se descobriu que esse movimento é gerado por uma notável cooperação entre as partículas atômicas. Ocorre que os átomos se entregam a uma suave ondulação, onde os elétrons deslizam aos pares como surfistas no mar. Pois é esse balanço invisível nas profundezas atômicas dos cabos o responsável pela supercondução. As cerâmicas, aparentemente, são capazes de imitá-lo, mesmo em altas temperaturas, devido a algum detalhe químico em sua arquitetura: esse é o enigma que a ciência agora espera desvendar.

Receita de pastilha

As escolas têm condições de verificar como funciona a supercondução. Sob a direção do professor, os alunos podem construir sua própria pastilha e depois vê-la flutuar sobre um imã na sala de aula.

Os ingredientes são adquiridos nas lojas de material didático, a começar pelos óxidos: 5 gramas de óxido de ítrio (Y2, O3), 20 gramas de óxido de bário (BaO) e 30 gramas de óxido cuproso (CuO). Eles devem ser misturados com um pouco de água e moídos por três horas em um cadinho, com um pilão.

Leva-se ao forno e aumenta-se gradualmente a temperatura até 900 graus, por seis horas, desaquecendo-se por mais seis horas até desligar. O pó preto obtido precisa ser triturado durante três horas. Bem fino, pode ser prensado em forma de pastilha em uma caixa de aço.

Com um torno ou um macaco de carro, tem-se a pressão necessária: mil atmosferas. A pastilha volta ao forno por mais 12 horas, agora a 1050 graus e com boa circulação de ar. Pronto, o supercondutor flutuará entre os pólos de imã de ferro-boro, de 3 quilo gauss, imerso em uma vasilha de vidro ou plástico cheia de nitrogênio líquido.

A empresa White Martins, de São Paulo, produz nitrogênio líquido. Todo o material — com exceção do forno sairá por cerca de cinco mil cruzados. O professor deve tomar cuidado de não tocar no nitrogênio com a mão.