Las arterias del planeta están hechas de cobre. La energía que necesitamos para casi cualquier actividad la recibimos, luego de un largo viaje a través de cables de este metal, desde una central en donde la energía del carbón o del agua o de los núcleos atómicos ha sido transformada en una corriente eléctrica. Y de cobre también son sus más delgados capilares, ésos que conducen la energía dentro de los circuitos de un televisor, un teléfono o una lavadora.
En condiciones normales de presión y temperatura, el cobre sólo es superado por la plata en su capacidad de conducción de la electricidad. El precio de esta última hace inviable su uso masivo. No existe por ahora ningún método de distribución de energía mejor que transmitirla a través de corrientes eléctricas a lo largo de cables de cobre, lo que le ha dado a éste un lugar de privilegio entre los metales.
Un tercio del cobre que se extrae de las minas del mundo cada año proviene de Chile. Unas 6 millones de toneladas al año. El 60% de todas nuestras exportaciones corresponde a este metal. El sueldo de Chile. ¿Por cuánto tiempo gozará el país de su sueldo? Difícil predecirlo. Más aún cuando cayó en el desierto como un gran regalo en el que poco tuvimos que ver. Tampoco tuvimos participación en la importante observación científica que le otorgó su alcurnia mineral: la poca resistencia que impone al flujo de cargas eléctricas. Ésta fue hecha durante las primeras décadas del siglo XVIII en Inglaterra.
Quizás no deberíamos hablar de sueldo, sino de la gran lotería en la que el azar puso en nuestro patio cantidades enormes de este preciado material.
Con el correr de los años se descubrieron muchos excelentes conductores de la electricidad. El grafeno, por ejemplo, es uno de los más recientes. Se trata de una forma de carbón que podría ser incluso mejor conductor que el cobre. Sin embargo, no hay duda que el gran salto en esta carrera ocurrió hace exactamente 100 años, cuando Heike Kamerlingh Onnes observa un fenómeno que él mismo llamó "superconductividad", definida como la propiedad de ciertas sustancias de transmitir la electricidad sin ninguna resistencia. Afortunadamente para nuestras arcas fiscales, aún no es posible fabricarlos a un precio que pueda competirle al cobre. Pero no hay que dormirse en los laureles.
Un pobre cuarentón
Esta ciencia partió hace 300 años, cuando un pobre y solitario cuarentón llamado Stephen Gray logra un lugar en la Charterhouse en Londres, una casa de acogida para hombres en condiciones de precariedad que han servido al país. Gray era un autodidacta que llegó a colaborar con John Flamsteed, uno de los más afamados astrónomos de su época, quien fue nombrado primer Astrónomo Real y construyó el Observatorio Real de Greenwich. Desafortunadamente para Gray, su amistad con Flamsteed fue un obstáculo para ser aceptado en la comunidad científica inglesa.
Se han descubierto muchos excelentes conductores de la electricidad. El grafeno, por ejemplo: una forma de carbón que podría ser incluso mejor conductor que el cobre. Afortunadamente para nuestras arcas fiscales, aún no es posible fabricarlos a un precio que pueda competirle.
Flamsteed se enemistó con el más influyente de todos los científicos de la historia, Sir Isaac Newton, al acusarlo de hacer uso indebido de datos preliminares producto de sus observaciones. Esto fue suficiente para que Gray no obtuviera jamás un trabajo estable en el mundo académico. Ante la desesperada situación de su amigo, lo único que Flamsteed pudo hacer fue conseguir un hospedaje en Charterhouse. Allí Gray pasó el resto de su vida experimentando con electricidad. Allí descubrió, en 1729, que la "virtud eléctrica", como llamaba a la carga eléctrica, podía comunicarse de un cuerpo a otro. Allí murió, en la más absoluta pobreza, en 1736, a los 69 años de edad.
Para obtener electricidad, Stephen Gray frotaba un tubo de vidrio, técnica usual en su época. El tubo podía entonces atraer objetos livianos. Para mantener el interior del tubo libre de polvo y humedad, Gray lo sellaba en ambos extremos con tapones de corcho. Su observación clave fue la de notar cómo, luego de frotar el tubo, el corcho era capaz de atraer una pluma. De alguna manera la carga eléctrica había sido transferida del vidrio al corcho. Inmediatamente comenzó a probar con otros materiales, y comprobó cómo, efectivamente, la carga tenía la propiedad de poder ser traspasada entre objetos de tamaños y materiales diversos. Más tarde fue capaz de transmitir electricidad a través de cables conductores por cientos de metros.
Sin resistencia
Doscientos años después de que Stephen Gray entrara por primera vez a Charterhouse, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes realizaba experimentos similares en la Universidad de Leiden. Él ya era entonces un prestigioso experimentalista. En 1908 logró licuar el helio, que por esos años era el único gas que no había podido ser llevado al estado líquido. Para esto, tuvo que romper todos los récords de temperatura, alcanzando los -270°C, sólo 3 grados sobre el llamado "cero absoluto", la mínima temperatura posible. Sus técnicas le permitieron explorar el comportamiento de la conductividad eléctrica de distintos materiales a muy bajas temperaturas, cuestión que era tema de controversia para los teóricos. En uno de los instantes claves de la historia de la ciencia, el 8 de abril de 1911, Kamerlingh Onnes congela mercurio purificado dentro de capilares de vidrio, y utilizando electrodos en sus extremos, hace pasar una corriente eléctrica a través del metal. Mide la resistencia a medida que baja la temperatura y descubre que al llegar a los 4,2 grados sobre el cero absoluto la resistencia del mercurio cae abruptamente a niveles tan bajos que no puede medir. "Mercurio, prácticamente cero", escribió en su cuaderno que hoy se exhibe en el Museo Boerhaaven en Leiden. Heike Kamerlingh Onnes ganó el Premio Nobel de Física apenas dos años después, en 1913 por "sus investigaciones sobre las propiedades de la materia a bajas temperaturas".
Un mundo superconducido
Más tarde se descubriría que varios otros metales, como el plomo o el niobio, resultaban superconductores a temperaturas suficientemente bajas. Cómo podían las corrientes eléctricas desplazarse sin ninguna resistencia era ahora la pregunta que todos hacían. Una pregunta compleja, que requirió casi 50 años para que la física pudiera responder.
Teorías conducentes
La razón por la que los metales conducen la electricidad se encuentra en la estructura atómica de la materia. Los átomos, digamos del cobre, tienen un núcleo de carga positiva y un conjunto de electrones mucho más livianos que el núcleo, que se mueven en torno a él. Los núcleos se ordenan en una red que conforma los cimientos, el esqueleto rígido del cobre sólido. Los electrones, en cambio, son más desordenados. Algunos están cerca del núcleo y tienen poca movilidad. Otros, más alejados, pueden moverse libremente, desplazándose entre un núcleo y otro. Éstos se conocen como electrones libres, y son los responsables de la conductividad del metal. Si bien los núcleos no pueden desplazarse, pueden vibrar. Así, cuando un electrón choca con un núcleo, puede traspasarle parte de su energía y dejarlo vibrando. La pérdida de energía de los electrones en estas colisiones da origen a la resistencia eléctrica.
Esta imagen es bastante cruda. Es la visión previa al advenimiento de la mecánica cuántica, en la década de los 20, que permitió una descripción mucho más detallada del fenómeno. Una que era crucial para entender la superconductividad observada por Heike Kamerlingh Onnes. Pero fue en1957 cuando los teóricos comienzan a develar los mecanismos responsables del fenómeno. Ese año los estadounidenses John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer publican la "Teoría microscópica de la superconductividad", hoy conocida como teoría BCS.
El elemento fundamental que la mecánica cuántica otorga al modelo BCS es el llamado "gap de energía". Los electrones se organizan de modoque no pueden intercambiar una cantidad arbitrariamente pequeña de energía con la red de núcleos. En un comportamiento típico de la teoría cuántica, el intercambio, cual apuesta en un casino, tiene un monto mínimo: el gap.
La superconductividad ha permitido varias tecnologías revolucionarias. Quizás la más importante sea la resonancia magnética nuclear. Al meternos en el tubo del equipo, estamos entrando en el centro de una gran bobina que nos expone a un intenso campo magnético.
Tal como no podremos intercambiar dinero con el casino si llevamos menos dinero que la apuesta mínima, electrones y núcleos no podrán intercambiar energía a menos que sean suficientemente energéticos. Y del mismo modo como en ese caso estaremos a salvo de perder dinero, los electrones estarán a salvo de perder energía, por lo que fluyen sin ninguna resistencia por el material. Que sea poca la energía disponible significa que la temperatura debe ser suficientemente baja y la corriente eléctrica no excesivamente alta. La Teoría BCS puede explicar la superconductividad a temperaturas de hasta 30 grados sobre el cero absoluto, por lo que es compatible con las observaciones de Kamerlingh Onnes.
Por este trabajo, Cooper, Scheiffer y Bardeen ganarían el Nobel de física en 1972. Bardeen se transformó así en el único científico que ha ganado dos veces ese premio.
Un asunto de magnetismo
Pero la superconductividad no sólo nos ha entregado placeres intelectuales. Además ha permitido varias tecnologías revolucionarias. Quizás la más importante sea la resonancia magnética nuclear (RMN). Al meter nuestra cabeza en el tubo del equipo, estamos entrando en el centro de una gran bobina que nos expone a un intenso campo magnético. Usando un ingenioso mecanismo es posible obtener detalladas imágenes tridimensionales de nuestro interior.
Nuestro protagonista es el campo magnético, cuya intensidad y extensión espacial sería muy difícil sin superconductores. Para producir uno, podemos enrollar un cable conductor alrededor de un clavo de hierro y conectarlo a una batería. El clavo se comporta como un imán. Un electroimán. Como los campos magnéticos requeridos en la RMN son enormes, si los produjéramos utilizando un cable de cobre, la corriente necesaria lo calentaría hasta derretirlo. Por eso, estos equipos utilizan cables superconductores que no se calientan, pues los electrones que circulan no pierden energía. Evidentemente, el equipo debe tener un sistema capaz de enfriar el material superconductor a temperaturas de sólo unos grados sobre el cero absoluto.
La refrigeración a las temperaturas que requieren los superconductores es un obstáculo para la construcción comercial de varias aplicaciones con las que podríamos soñar, tal como la transmisión de energía eléctrica sin pérdidas. El costo de refrigeración superaría cualquier ahorro. A fines de los 80, sin embargo, nació una nueva esperanza con el descubrimiento de materiales superconductores a temperaturas bastante más altas. Hoy, el récord llega a los 135 grados sobre el cero absoluto, unos -138°C.
Lamentablemente, no existe una teoría aceptada que explique la superconductividad a estas temperaturas, cosa que sería de gran ayuda para el diseño de mejores materiales. Por mientras, el mundo sigue dependiendo del cobre para casi cualquier tecnología que requiera el transporte de energía eléctrica, sea entre dos países o entre dos puntos del interior de un secador de pelo. Bien por el Presupuesto de la República.
