Il futuro è dei superconduttori

Immaginate un treno che viaggia a 500 chilometri orari senza poggiare sul terreno. O una batteria, ovviamente ricaricabile, in grado di accumulare energia e di liberarla a gran velocità per dare corrente a zone colpite da catastrofi naturali. Non è fantascienza e non è nemmeno così lontano dall’essere realtà e il merito è tutto (o quasi) dei superconduttori.

Se ne facciano una ragione i vari Carlo Conti, Maria De Filippi e Gerry Scotti ma non stiamo parlando di loro: i big di radio e TV non sono gli unici a potersi fregiare di questo titolo e, non ce ne vogliano, avranno un impatto sulle nostre vite decisamente inferiore a quello dei loro omonimi.
Sì, perché i superconduttori, quelli “meno famosi”, potrebbero crescere in modo esponenziale in diffusione e applicazione nei prossimi anni e rivoluzionare diversi settori del mercato.

Per questo motivo abbiamo deciso di intervistare Mattia Ortino, ingegnere nucleare, dottorando in Fisica e ricercatore, che si occupa di studiare questi materiali alla Technische Universität Wien, nell’ambito di un progetto EASITrain MSCA finanziato dall’Unione Europea. Mattia è uno dei 15 giovani selezionati per questa rete e lavora a stretto contatto con ricercatori di tutto il mondo, occupandosi anche di divulgazione scientifica.

Mattia, di cosa si occupa?
Mi occupo di ricerca di base sui materiali superconduttori, che diventano parte integrante dei cavi con cui si fanno magneti, motori, macchine che conservano l’energia (power supplies) e altre tecnologie già presenti sul mercato, più o meno conosciute. In particolare, lavoro sulla caratterizzazione dei materiali all’inizio del processo di sviluppo di una tecnologia. Nel mio progetto, quindi, non è prevista la manifattura ma la caratterizzazione di tali materiali, sia dal punto di vista superconduttivo che microstrutturale. Inoltre, cerco di capire cosa governa i fenomeni di trasporto di corrente e i campi magnetici, con l’obiettivo di migliorarli: il mio studio si concentra su due materiali (Nb₃Sn & MgB₂), con lo scopo di arrivare a degli standard che saranno fondamentali per un progetto futuro del Cern, il “FCC – Future Circolar Collider”.
Lavorare per il Cern, che da almeno 30 anni è leader nella produzione e nel finanziamento di studi sui superconduttori, è molto impegnativo e allo stesso tempo stimolante: ci vengono imposti dei target precisi da raggiungere, lavoriamo in un contesto internazionale, dobbiamo fornire rendicontazioni molto precise e pubblicare tutti i risultati raggiunti.

Facciamo un passo indietro. Cosa sono i superconduttori?
I superconduttori sono un’affascinante scoperta della fisica più o meno recente: sono stati scoperti nel momento in cui si è reso possibile liquefare l’elio, quindi agli inizi del ‘900. Sono materiali che permettono, una volta raffreddati, cioè quando raggiungono la cosiddetta “temperatura critica”, di condurre energia senza la resistenza tipica dei conduttori tradizionali. La cosa complicata, dunque, è il raggiungimento di questa temperatura, fino agli anni ’80 possibile solo tramite il contatto dei materiali con l’elio liquido e, quindi, a temperature bassissime: l’obiettivo è fare in modo che questa tecnologia possa essere utilizzata da tutti e non solo in condizioni estremamente particolari. Il premio Nobel per la Fisica nell’1987, per esempio, fu conferito a Karl Alexander Müller e Georg Bednorz per la scoperta del primo HTS – High Temperature Superconductors, che ha permesso un notevole passo in avanti nell’evoluzione tecnologica dei superconduttori togliendo una parte importante delle limitazioni dello sviluppo. 
Per questo la ricerca si sta concentrando sull’individuazione di materiali che lavorino a temperature più alte e che possano quindi essere raffreddati diversamente, attraverso per esempio l’azoto liquido (come nel caso degli HTS), che ha una temperatura critica più alta rispetto all’elio, è più facile da ottenere e ha un prezzo per litro inferiore al latte. 
L’altra grande novità portata dai superconduttori è la levitazione magnetica, espellono cioè i campi magnetici esterni, offrendo tantissime opportunità. 

Quali sono queste opportunità?
Per esempio i sistemi di trasporto a levitazione magnetica: si impone un campo magnetico e, grazie all’utilizzo di superconduttori che non lasciano entrare questo campo magnetico, si genera una forza invisibile ma molto forte che consente la levitazione, un fenomeno davvero affascinante e facilmente dimostrabile. Applicando tutto questo ai trasporti, quindi, si crea una rete in cui non c’è l’attrito tra ruota e strada o tra rotaia e treno e, ancorando il mezzo al percorso, si può ottenere un sistema veloce e che abbatte numerosi costi, da quello del combustibile a quelli legati all’usura delle diverse componenti.
In Giappone e Cina è già stato abbondantemente testata la levitazione magnetica per la rete ferroviaria: il treno più “evoluto” nel settore ha raggiunto i 600 Km/h. Grazie a questo sistema i treni potrebbero addirittura competere con gli aerei.

Rimanendo nei trasporti, per un’applicazione nel settore automotive a che punto siamo?
Per il mercato del settore automotive bisognerà aspettare un po’ di più perché i livelli di ingegnerizzazione sono molto complessi. Un grande aiuto, però, come spesso accade con lo sviluppo tecnologico, potrebbe arrivare dal mondo dell’industria aerospaziale: gli investimenti su tecnologie basate sui superconduttori di questo settore nel prossimo decennio saranno fondamentali per gli sbocchi nel mercato della Robotica e dell’Automotive.

Per quanto riguarda la possibilità di immagazzinare energia?
Gli utilizzi potenziali sono concreti. Ci sono due tecnologie attualmente sulla cresta dell’onda e che vengono spinte dalla comunità scientifica e dalle aziende del settore: i Flywheels (volani) a levitazione magnetica che creano energia dalla rotazione e la conservano, senza mai toccare “terra” in modo da non perdere energia o soffrire l’attrito, e la rilasciano nel momento del bisogno. L’altra sono le SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage, delle grandi bobine tenute sempre a temperatura di “lavoro”, che vengono riempite di energia che rimane conservata all’interno per essere utilizzata quando serve, con una velocità di rilascio ed emissione superiore rispetto a quella dell’energia tradizionale. Questo potrebbe essere utile sia nel caso di emergenze, con zone che rimangono isolate dalla rete elettrica per periodi più o meno lunghi, ma anche per i grandi data center dei colossi tecnologici, che non possono permettersi cali o assenza di energia.  
Questo settore, quello delle UPS – Uninterruptable Power Supplies, ha una grande potenzialità di mercato.

Per l’elettronica, invece?
Sono circa 10 anni che si fa fantascienza sui computer quantistici. Esistono invece sempre più computer con componenti superconduttive, una via di mezzo tra l’elettronica a semiconduttore e i computer quantistici. Ci sono tante università che si occupano dell’aspetto elettronico degli utilizzi della superconduttività.

Quali sono i vantaggi per l’ambiente?
L’impatto è più che rilevante. In uno scenario come quello odierno, in cui per i Paesi in via di sviluppo come India, Cina e Brasile si prospetta un consumo energetico in crescita a livello esponenziale nel prossimo ventennio, i superconduttori possono giocare un ruolo importante. 
Con i superconduttori viene meno la perdita di linea che si verifica dal punto in cui l’energia è prodotta a quello in cui viene utilizzata: c’è sempre, infatti, una dispersione di corrente molto alta e questo tema non riguarda solo l’ambiente ma anche l’efficienza. 
Inoltre, se pensiamo alla diffusione di una rete elettrica basata su una power grid superconduttiva, eliminiamo dalla superficie cavi dell’alta tensione e trasformatori, spostando tutto sottoterra: una soluzione già testata con successo in Germania.

Su cosa si concentra oggi la ricerca e cosa manca per una diffusione capillare?
Da un lato c’è la ricerca di nuovi materiali, che possano essere il più possibile performanti e accessibili. Dall’altra si sta provando a ingegnerizzare e rendere fruibili dai consumatori nuovi prodotti, basati su tecnologie che già ci sono ma che devono ancora essere migliorate e/o rese disponibili.
A questo punto, oltre a un ulteriore sviluppo, mancano i grandi investitori per un approdo dei superconduttori sul mercato globale e di massa.

Nella nostra vita, i superconduttori sono già presenti, per esempio in ambito medico: la risonanza magnetica, per esempio, è realizzata con macchine che utilizzano superconduttori. Questi materiali, quindi, sono già nella nostra quotidianità, si tratta solo di sviluppare e ingegnerizzare i prodotti per il grande pubblico.