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Supercondutores, receita francesa para alcançar um recorde

Pesquisadores constroem uma nova cerâmica que conduz eletricidade, sem resistência, à incrível temperatura de 23 graus centígrados negativos, ou seja, a quase 120 graus centígrados acima da marca mais alta conseguida até hoje.

Thereza Venturoli, Gisela Heymann

Pegue uma lâmina de titanato de estrôncio (SrTiO3) e aqueça-a a 550oC. Reserve. À parte, ferva separadamente um punhado de átomos de bismuto, estrôncio, cálcio, cobre e oxigênio. Quando os elementos químicos começarem a evaporar, abaixe o fogo e inicie a montagem das camadas atômicas: abra cada uma das panelas, dirigindo o vapor para a placa de SrTiO3. Vaporize cada elemento sobre a lâmina, alternando o óxido de cobre (CuO2) e os átomos de estrôncio (Sr), em oito camadas de 30 nanômetros (um nanômetro vale um milionésimo de milímetro). Envolva as camadas com os demais elementos — bismuto (Bi) e cálcio (Ca) —, formando uma espécie de sanduíche. E … voilà ! Sirva “quente”, a -23oC.

O que é isso? É um suflê? É um pavê? Não! É um Supercondutor — o material mágico que, a uma temperatura muito baixa, chamada temperatura crítica, deixa de opor qualquer resistência à passagem de eletricidade. Já se construíram muitos supercondutores. Mas este, em especial, gerou um entusiasmo e uma confusão que há muito não se viam nessa quentíssima área de pesquisa. “Nossa descoberta é uma verdadeira revolução”, disse o autor da proeza, o físico Michel Laguës, da Escola Superior de Física e Química Industrial de Paris, à SUPERINTERESSANTE. Laguës elevou, de uma única vez, a temperatura crítica a níveis que poucos querem acreditar: cerca de 117oC acima do último recorde. Para se ter uma idéia, comparem-se os –23oC que o francês afirma ter alcançado, com os –243oC, das primeiras cerâmicas supercondutoras, de 1986. Depois, até meados de 1993, a temperatura crítica subira em pequenos saltos até –140oC. Ainda no ano passado, o papa dos supercondutores, o sino-americano Paul Chu conseguiu chegar a –113oC — a temperatura mais alta aceita pela maioria dos cientistas.

O salto de Chu, de 27oC, já causou espanto. Mas a gélida marca de –23oC alcançada por Laguës parece tórrida, perto de qualquer valor conseguido por seus colegas. Por mais que pareça absurdo para quem vive num país tropical como o Brasil, uma temperatura de –23oC está numa faixa do termômetro considerada amena, não só por esquimós e pingüins. Também para os cientistas, isso é apenas um “friozinho” — a temperatura ambiente dentro de uma câmara frigorífica comum, que pode ser produzida em laboratório, com o uso de gelo seco ou gás fréon, substâncias muito mais fáceis de serem manipuladas.

Muitos duvidam que a equipe francesa tenha mesmo ido tão longe. Chegou a correr o boato no meio científico de que a própria equipe estaria retratando-se sobre a descoberta — rumores logo desmentidos pela publicação especializada High TC Update. O chantili da iguaria científica de Laguës começou a azedar logo ao anúncio da descoberta. A comunidade científica mundial estranhou que os descobridores não tivessem aberto detalhes da receita, ou seja, a fórmula exata do composto, como é de praxe em pesquisa científica. Os parisienses defendem-se, alegando que a fórmula só será divulgada após o registro da patente do novo composto. Os céticos contra-atacam, dizendo que há centenas de grupos tentando repetir a experiência — condição fundamental para a comprovação de um experimento científico —, sem conseguir nada. Laguës promete repetir e confirmar os resultados em breve. “As técnicas não são tão complicadas a ponto de demorar tanto para a descoberta ser confirmada por outros cientistas ou pelos próprios descobridores”, questiona o físico Oscar Ferreira de Lima, do Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), que tem um currículo de dezessete anos na área. A cautela é tanto mais necessária devido à longa série de enganos do passado. No final da década de 80, quando as cerâmicas apenas engatinhavam como supercondutoras, cientistas chineses já alardeavam ter alcançado a marca dos –20oC. Mas eles não conseguiram repetir o feito e não se falou mais nisso.

O mesmo ocorreu com um composto à base de mercúrio, descoberto também no final do ano passado por uma equipe do Centro Nacional para a Pesquisa Científica, na cidade de Grenoble, na França. O material só funcionou uma vez a –30oC. Nas demais tentativas, a temperatura crítica caiu para a já conhecida marca dos –140oC e fez com que os próprios descobridores juntassem ao entusiasmo um certo tom de incerteza. Mais do que isso, levantou-se a possibilidade de erro experimental. O fenômeno observado poderia ser algo bem mais rotineiro — a brusca queda de resistência elétrica que não tem nada a ver com a supercondutividade, e acontece normalmente na solidificação do mercúrio. Gato escaldado tem medo de água fria… Por isso o tom cuidadoso com que a comunidade científica recebe essa espécie de “boa notícia”.

O fato, porém, é que, se for reproduzida com sucesso, a experiência tornará bem mais próximo da realidade o sonho dos supercondutores: trens que voam sobre colchões magnéticos, minúsculos e superpotentes motores, baratíssima transmissão de energia e supercomputadores muito mais rápidos que os atuais. Simplesmente porque, quanto mais alta é a temperatura crítica, mais fácil e barata fica a produção industrial dessas maravilhas. “O importante é não considerar definitivo o resultado dos franceses”, afirma Lima. Quando o assunto é supercondutividade, os cientistas têm de trabalhar com dezenas de variáveis, tentando milhares de combinações, sob as mais diversas condições. Além da busca de temperaturas críticas mais altas, eles têm de contornar outros obstáculos, como a baixa intensidade da corrente elétrica que o material suporta, como fazê-lo mais resistente a campos magnéticos, ou como enrolar rígidas e quebradiças cerâmicas em flexíveis fios e cabos. E tem mais: palavrinhas difíceis, como weak links, vórtices e fluxóides escondem outros mistérios. “Não existe até hoje uma boa teoria sobre o assunto”, esclarece o físico Reginaldo Muccillo, do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN). “Por isso, este é um trabalho de alquimistas, muitas vezes feito na base da tentativa-erro, cujo resultado depende do número de experiências realizadas e da própria sorte.” Como exemplo, Muccillo conta que, em 1989, quando as equipes da USP construíam, em média, um composto a cada duas semanas, os chineses, com muito mais equipes, conseguiam desenvolver, numa única semana, até noventa novos compostos para teste.

Mas alquimia mesmo é o que as indústrias fazem, tentando, por assim dizer, transformar cerâmica em ouro. Elas antecipam-se ao futuro e já estão construindo os primeiros aparelhos que usam supercondutores quentes. Não são os grandes sonhos, ainda. Mas começar logo vale a pena em vista do que se pode ganhar com isso. Apenas as aplicações em pesquisa científica e na Medicina representam um mercado mundial estimado entre 150 e 200 bilhões de dólares, para o ano de 2020. Somadas ao imenso filão da indústria eletrônica e do setor de geração e transmissão de energia elétrica, essas cifras funcionam como uma apetitosa cenoura colocada à frente de um coelho faminto. Ainda que mantenham um olho sobre as universidades e institutos de pesquisa básica, as grandes indústrias européias, americanas e japonesas estão mais interessadas em contornar as dificuldades. E, segundo a revista Scientific American, de dezembro de 1993, essas indústrias já acenam com promissores protótipos.

Já se sabe: os supercondutores não funcionam exatamente como um mágico “abracadabra”. Mas os constantes avanços das cerâmicas cada vez mais quentes deixam as portas da imaginação abertas para os grandes sonhos. Não está longe o dia em que o excesso de energia produzida por uma hidroelétrica será armazenada, para ser distribuída em horários de pico de consumo. Ou veremos emergir, em alguma praia deserta, uma réplica do Outubro Vermelho — o submarino que, no filme com o ator Sean Connery, movia-se em absoluto silêncio por um certo “sistema lagarta”, que, na ficção, substituiria as tradicionais hélices por supercondutores. Poderemos ainda andar pelas ruas sobre tapetes magnéticos no lugar das calçadas. “A supercondutividade está envolta ainda em muito mistério, mas a fronteira para se avançar nessa área está aberta, reservando-nos muitas surpresas”, conclui Lima, da Unicamp.

Para saber mais

Fio maravilha

(SUPER, número 1, ano 1)

Cerâmicas difíceis como crianças berrantes

De bonzinhos, os supercondutores de alta temperatura não têm nada. Essas jovens cerâmicas maravilhosas comportam-se como crianças ranhetas, fazendo manha nos momentos mais inconvenientes e obrigando os cientistas a recorrer a alguns corretivos, nem sempre fáceis de serem aplicados.

Primeira birra: weak links

Em português, “ligações fracas”. São uma espécie de calda grudenta que se cria no vão entre os grãos microscópicos de que são feitos os supercondutores, como o açúcar derretido pelo leite num prato de sucrilhos. Os flocos de sucrilhos são os grãos cristalinos do supercondutor e o açúcar derretido, as weak links. A eletricidade não tem dificuldade em atravessar os grãos, mas passar de um grão para outro através dessa calda melada já é outra história. Como os flocos de sucrilhos, os grãos tendem a ficar desalinhados e separados por distâncias desiguais. Se os elétrons que formam a corrente elétrica não tiverem impulso suficiente para o salto, eles simplesmente caem. Pronto — está quebrada a supercondutividade. Este problema afeta principalmente os fios, onde é extremamente difícil manter uma distância uniforme entre os grãos, por longos comprimentos.

Uma das técnicas para contornar o problema das weak links é transformar os fios em fitas pelo processo “pó-no-tubo”. Comprimidos, os grãos são obrigados a se deitar e os elétrons podem percorrê-los, sem nenhum salto de malabarista. Nos filmes finos, construídos camada atômica a camada atômica, a distribuição dos grãos é bem mais uniforme, o que impede o surgimento de weak links.

Segunda birra: vórtices

Ou fluxóides. São como finas linhas imantadas dançantes, formadas dentro do supercondutor pela invasão de um campo magnético externo. Para comparação, imagine-se uma linha de pipa, com cortante. Substituindo-se o vidro moído do cortante por pequenas lascas de ímãs, tem-se aí um modelo de fluxóide. Dentro de um supercondu-tor, várias dessas linhas cortantes entrelaçam-se numa espécie de treliça que, a baixas temperaturas, congela-se e permanece estacionada. Mas, a temperaturas críticas mais elevadas, a treliça começa a serpentear e, por fim, acaba se dissolvendo e criando uma barreira magnética que envolve todo o material, derrubando a supercondutividade. Como a própria passagem da eletricidade cria um fluxo magnético, isso obriga os supercondutores quentes a trabalhar com correntes muito baixas, pouca coisa acima dos fios de cobre convencionais — um obstáculo para a construção de motores, transformadores e dispositivos de levitação (como os usados no trem japonês Maglev).

A solução está nos chamados pinning centers — uma espécie de alfinetes com que os cientistas tentam fixar as “treliças” em diversos pontos, entre os grãos. Esses alfinetes podem ser pequenos “defeitos”, na forma de impurezas, como um composto montado com os mesmos elementos do supercondutor, só que numa proporção diferente. Isso faz com que esses pontos tenham uma temperatura crítica mais baixa do que o supercondutor e não deixem os fluxóides passear livremente.