Todo apunta a que la transición energética, por una razón u otra, ya no es una opción, sino un destino inevitable y es evidente que estamos viviendo un momento de (intento de) transformación del sistema energético global. En este contexto, se busca casi un imposible. Se trata de encontrar nuevas formas de generar energía que sean eficientes y que emitan menos gases de efecto invernadero y que a la vez sean capaces de sostener la creciente demanda energética mundial. Sin embargo, hay una solución a este desafío y, de hecho, la conocemos desde los años 50 del pasado siglo XX: la fusión nuclear. La fusión nuclear se presenta como el auténtico santo grial de la generación de energía que reproduce el mecanismo de generación de energía de las estrellas. Utiliza una fuente de energía limpia, segura y prácticamente inagotable, genera ingentes cantidades de energía y (casi) no deja residuos.
Pero hoy no vengo a hablar de la fusión nuclear, si no de los materiales que posibilitan que podamos imaginar siquiera un reactor de fusión. Rara vez se explica que este sueño futurista no depende solamente de reactores gigantes y de complejas teorías físicas, sino de unos materiales extraordinarios y poco conocidos por el gran público: los superconductores. Ellos son la pieza clave de la fusión, los que la hacen viable. Sin ellos, la fusión nuclear seguiría siendo poco más que una promesa lejana, casi ciencia ficción.
Pero no os dejéis engañar por lo exótico del nombre. Los superconductores ya conviven con nosotros en nuestro día a día desde hace décadas, pero pasan muy desapercibidos. Poca gente sabe que el diagnóstico médico depende en gran medida de ellos, pues son los materiales clave de la fabricación de los aparatos de resonancia magnética nuclear. También son indispensables para la generación de conocimiento en el ámbito de la física de partículas. Seguro que a muchos de vosotros os sonará el Boson de Higgs, esa partícula denominada popularmente «partícula de Dios» que fue descubierta experimentalmente en el año 2012 en el acelerador LHC del CERN, en Ginebra (Suiza). Pues bien, el LHC existe porque existen los superconductores, de otro modo el LHC sería otro proyecto de ciencia ficción. Por lo tanto, sin superconductores no habría Bosón de Higgs ni muchas otras partículas elementales descubiertas en aceleradores de todo el mundo. No superconductores, no party para los físicos de partículas. Estas dos aplicaciones ya consideradas «normales» hoy en día son solo el principio ya que, como veréis, el potencial de estos materiales es enorme.
Pero, empecemos por el principio, ¿Qué es un superconductor? La definición clásica nos dice que un superconductor es un material que presenta una resistencia eléctrica nula cuando es enfriado por debajo de una temperatura que se denomina temperatura crítica (Tc). Esta propiedad tan única y extraordinaria de estos materiales fue observada por primera vez por Heike Kamerlingh Onnes en 1911 en el mercurio sólido. El bueno de Onnes había logrado en 1908 licuar el helio, algo bastante complejo de hacer pues la temperatura de licuefacción del helio es de 4.2 K o, lo que es lo mismo, aproximadamente de -269 ºC. Esto supuso un hito científico de gran relevancia, pues a partir de ahí se desarrolló la criogenia moderna. A partir de ese año, Onnes se dedicó a estudiar las propiedades de los materiales a estas temperaturas tan bajas. En 1911, mientras estudiaba una muestra de mercurio, se dio cuenta de que si enfriaba el mercurio por debajo de los 4.2 K (el helio liquido está a 4.2 K y a presión atmosférica, pero si se reduce la presión, esta temperatura puede descender aún más), su resistencia eléctrica desaparecía por completo (Imagen 1). No es que fuera muy pequeña, no. Era cero absoluto. Había descubierto la superconductividad y el primer superconductor de la historia.
Ahora bien, ¿cómo se explica este fenómeno tan extraordinario desde un punto de vista físico? Esta es una cuestión bastante compleja y que no se puede abordar en unas pocas líneas, pero para que se entienda al menos el concepto se puede proponer la siguiente analogía.
Imaginemos que estamos en Tokio y queremos entrar en un vagón del metro en hora punta. Hay miles de personas que tienen la misma intención que nosotros y la tarea va a ser complicada. Nos va a costar entrar en el vagón con toda esa gente y tendríamos que ir pasado con mucho esfuerzo, empujando, hasta poder acceder al vagón. Cuando lo logremos, estaremos cansados, sudorosos, ya que habremos hecho un esfuerzo considerable y gastado energía (y paciencia) hasta poder entrar debido a los choques con otras personas. Situación muy distinta sería si nos encontráramos la estación y el vagón vacío. Entramos al vagón sin dificultad, nos sentamos e iniciamos en viaje sin apenas esfuerzo. Lo que pasa con los conductores convencionales y los superconductores es algo similar. En un conductor convencional la corriente eléctrica es transportada por los electrones y éstos están todo el tiempo entrando en vagones en hora punta, chocando continuamente con gente, en su caso con los obstáculos que hay dentro del propio material. Sin embargo, en el superconductor, al enfriarlo por debajo de su temperatura crítica, la estación y el vagón siempre están vacíos y la corriente, transportada en este caso por los llamados Pares de Cooper (pares de electrones ligados entre sí), fluye libremente. Los Pares de Cooper son capaces de moverse sin interaccionar con obstáculo alguno, no sufren choque alguno con nada y, por lo tanto, no pierden energía en el proceso.
El hecho de que la corriente en un superconductor circule sin obstáculos y, por lo tanto, sin pérdida de energía, no significa que podamos transportar una corriente infinita, hay limitaciones. Pero, aun así, podemos decir que, a grosso modo, tienen capacidad para transportar entre 1000 y 10000 veces más de corriente que los conductores convencionales de cobre. ¿El inconveniente? Que las temperaturas críticas de los superconductores son bastante bajas, normalmente por debajo de los -170 ºC. Esto implica que los superconductores tienen que ser refrigerados continuamente con nitrógeno, hidrógeno o helio líquido y esto supone retos tecnológicos. Afortunadamente, la criogenia es un ámbito científico muy desarrollado hoy en día y, generalmente, la refrigeración no supone un problema limitante para el desarrollo de las aplicaciones.
Como nos podemos imaginar, el hecho que los superconductores puedan transportar corriente eléctrica sin pérdidas de energía abre la puerta una distribución de la mucho más eficiente de la misma. De hecho, esta ventaja ya está siendo explotada y ya hay alguno de estos cables superconductores instalados y funcionando. Un ejemplo claro es el proyecto AmpaCity, en la ciudad alemana de Essen, donde un cable superconductor de un kilómetro fue instalado en 2014 conectando dos subestaciones urbanas a media tensión (10 kV). Este cable sustituyó a un cable de alta tensión convencional que funcionaba a 110 kV permitiendo eliminar una subestación de alta tensión, algo crucial en un entorno urbano denso. Funcionó durante varios años de manera estable y fiable hasta que los requisitos de la red cambiaron y fue retirado en 2024. Sus exitosos resultados influyeron directamente en proyectos posteriores de cables superconductores, como el proyecto SuperLink, que se está llevando a cabo en la ciudad alemana de Múnich, para la instalación de un cable de 15 km y que en 2024 ya realizó con éxito las primeras pruebas, o el proyecto SCARLET, un proyecto europeo en el que se están desarrollando cables superconductores de media tensión para la transmisión de energía desde fuentes renovables hacia la red eléctrica, tanto en tierra como en el mar.
Pero, aparte de la conducción de eficiente de la electricidad, los superconductores ofrecen mucho más. Y es que, según las leyes del electromagnetismo, que Maxwell unificó en la segunda mitad del siglo XIX, los campos eléctricos y magnéticos están relacionados entre sí. De hecho, podríamos decir que son las dos caras de una misma moneda. Esto implica que, yendo directamente a la conclusión y sin entrar en detalles, que una corriente eléctrica genera un campo magnético y viceversa. Esto significa que, si un superconductor puede transportar mucha más corriente eléctrica que un conductor convencional de cobre, también se podrán generar campos magnéticos mucho más elevados, y esto abre la puerta a utilizar los superconductores en aplicaciones donde los campos magnéticos juegan un papel fundamental e incluso, en algunos casos, como veremos, simplemente posibilitan que exista una aplicación.
Aprovechando esta capacidad podemos pensar en aplicaciones como la ya conocida resonancia magnética nuclear, que ya funciona hoy en día en nuestros hospitales y que, como ya se ha comentado, utiliza superconductores. Estos dispositivos utilizan campos magnéticos muy intensos para obtener imágenes de los tejidos del cuerpo. Pero utilizando superconductores existe la posibilidad de fabricar una nueva generación de aparatos de resonancia magnética nuclear de alto campo que permitan una mayor precisión de diagnóstico, pues a mayor campo magnético, mayor definición de los detalles del tejido. Estos aparatos también se utilizan para la investigación médica y farmacéutica. La nueva generación de alto campo permitirá analizar las complejas funciones de las proteínas y los virus, algo fundamental para desarrollar nuevos medicamentos y vacunas.
Otra vía que aparece es de la fabricación de máquinas eléctricas superconductoras mucho más eficientes y ligeras que sustituyan a las convencionales. Por ejemplo, es posible fabricar turbinas eólicas con las mismas prestaciones que las convencionales, pero que pesan la mitad. También motores eléctricos para aviones. El futuro de la aviación se enfoca en la electrificación de los aviones. Sin embargo, esto solo es posible si se desarrollan motores lo suficientemente potentes y a la vez ligeros y compactos como para permitir el vuelo de un avión. Esto sólo es posible con motores superconductores, pues al ser éstos más eficientes, permiten aumentar la potencia y a la vez reducir el tamaño y el peso. Proyectos como el STARC-ABL o el N3-X de la NASA (Imagen 2) o el E-FAN X ya exploran o esta posibilidad.
Las posibilidades en cuanto al transporte no terminan aquí. En el futuro, los trenes levitantes, que viajan en el aire sin rozamiento con la vía, serán una realidad común y corriente (ya lo empiezan a ser en Japón y China) y también gracias a los superconductores. El fenómeno de la levitación magnética que se consigue con los superconductores es suficientemente intenso como para hacer levitar a un tren y permitir que se desplace a velocidades de hasta 600 kilómetros por hora (Imagen 3).
Los futuros aceleradores de partículas de los grandes laboratorios de física de altas energía también dependen de los superconductores. Los imanes instalados en los aceleradores son los encargados de acelerar las partículas a velocidad cada vez mayores. A más velocidad de las partículas, más energía de los choques entre ellas y, por lo tanto, más posibilidades de detectar nuevas partículas elementales y estudiar nuevos fenómenos físicos. La nueva generación de aceleradores contendrá imanes fabricados con superconductores modernos y mejorados que nos ayudarán a desentrañar más secretos del universo. Pero los aceleradores no son solo utilizados para generar conocimiento. Son parte fundamental de modernas terapias contra el cáncer como la terapia de hadrones, donde partículas específicas se aceleran y dirigen al tumor. Esta terapia es muy precisa y causa muy pocos efectos secundarios ya que las partículas liberan toda su energía en el tumor pasando por el resto de tejido sano de forma casi inocua. El uso extensivo de superconductores en el futuro permitirá disponer de estos aparatos en todos los hospitales y no en unos pocos como hoy en día.
Los viajes espaciales también se aprovecharán de los superconductores. Proyectos como la colonización de Marte van a tener superconductores jugando un papel fundamental. Durante los viajes espaciales uno de los problemas principales es la radiación cósmica. Ésta es capaz de, no solo afectar la salud de los viajeros, si no también causar problemas en los aparatos electrónicos de las naves espaciales. Por ello, la protección contra la radiación cósmica es fundamental y se puede conseguir generando un campo magnético alrededor de la nave espacial que desvíe esa radiación cósmica, algo similar a lo que hace el campo magnético terrestre. Pues bien, este campo magnético estará generado por superconductores ya que son muchos más ligeros con los conductores convencionales y sería inviable instalarlos en una nave espacial.
Finalmente, la joya de la corona, la aplicación que sin duda tiene el potencial para cambiar el statu quo de la generación de energía mundial: la fusión nuclear. Como comentamos al principio, sin superconductores, no hay fusión. Esto es así porque para generar las condiciones necesarias para que se produzca la fusión, necesitamos campos magnéticos extremadamente altos. La fusión nuclear implica fusionar átomos de hidrógeno en un reactor de fusión (Imagen 4). Pero esta tarea no es nada sencilla y para ello necesitamos básicamente crear un Sol en la Tierra. La energía del Sol y de las demás estrellas viene de la fusión nuclear que ocurre en su núcleo. Pero las condiciones para que esta reacción de fusión tenga lugar son extremas. Se necesita una temperatura de unos 15 millones de grados y una presión de unos 250 millones de atmósferas (recordad que la presión a nivel del mar en la Tierra es de 1 atmósfera). Evidentemente, reproducir esas condiciones en la Tierra no es sencillo, pero gracias a los superconductores podemos hacerlo. Lo que se hace es generar un plasma (partículas con carga eléctrica neta) que se calienta hasta alcanzar unos 150 millones de grados. Obviamente, cualquier cosa que tocara este plasma quedaría vaporizado al instante, luego el plasma no puede estar en contacto con nada. Ahí es donde entran en juego los superconductores. Estos generan campos magnéticos enormes que son capaces de mantener el plasma confinado de tal manera que no esté en contacto con nada. Estos campos magnéticos solo son generados por superconductores. Así que sí, sin superconductores no hay paraíso, no hay fusión nuclear.
En un contexto como el actual en el que el paradigma energético está cambiando y en el que los avances tecnológicos cada vez se enfocan más en la búsqueda de la eficiencia, los superconductores están llamados a ser los actores clave. Apostar por los superconductores es apostar por el futuro. Porque sí, el futuro es superconductor.
PD. Existen otras aplicaciones de los superconductores menos «conocidas» porque no tiene que ver con su capacidad de transporte de corriente eléctrica, sino con otras propiedades, pero que son igual de interesantes. Por ejemplo, son unas de las tecnologías candidatas para la fabricación de los ordenadores cuánticos. Las propiedades a nivel cuántico de los superconductores son muy útiles para la creación y uso de los qubits. De hecho, Google e IBM emplean superconductores en sus ordenadores cuántico (IBM incluso ya los comercializa).