Prodotto il segmento di filo superconduttore dalle prestazioni più elevate al mondo. Cnr: potrebbe essere una rivoluzione energetica

Il nostro futuro energetico potrebbe dipendere dai cavi superconduttori ad alta temperatura (HTS). La capacità di questa tecnologia di trasportare elettricità senza resistenza a temperature superiori a quelle richieste dai superconduttori tradizionali potrebbe rivoluzionare la rete elettrica e persino consentire la fusione nucleare commerciale.  Ma queste applicazioni su larga scala non saranno possibili finché i fili HTS non potranno essere fabbricati con un rapporto prezzo/prestazioni pari a quello del filo di rame comune venduto presso un qualsiasi negozio di ferramenta locale. 

Lo studio “Significantly enhanced critical current density and pinning force in nanostructured, (RE)BCO-based, coated conductor” pubblicato su Nature Communications da un team internazionale di ricercatori ha reso noto di aver fabbricato il segmento di filo HTS più performante al mondo, rendendo il rapporto prezzo-prestazioni significativamente più favorevole. Al Cnr dicono che  «La fabbricazione di un materiale, basato su superconduttori ad alta temperatura critica e su supporto cosiddetto "coated conductor", in grado di far scorrere al suo interno una densità di corrente elettrica record, pari a 190 Milioni di Ampere per centimetro quadrato di sezione, alla temperatura di 4.2 K».  

Basati sull'ossido di rame bario delle terre rare (REBCO), i fili prodotti dal team di ricerca hanno raggiunto la più alta densità di corrente critica e la più alta forza di fissaggio (rispettivamente la quantità di corrente elettrica trasportata e la capacità di fissare vortici magnetici) mai registrate fino ad oggi per tutti i campi magnetici e le temperature da 5 Kelvin a 77 Kelvin. Questa temperatura è comunque estremamente fredda (da -451 gradi a -321 gradi Fahrenheit), ma superiore allo zero assoluto a cui funzionano i superconduttori tradizionali. 

Misurazioni eseguite  all’interno del laboratorio di misure magnetiche “LAMBDA”, coordinato scientificamente da  Massimiliano Polichetti, del Dipartimento di fisica dell’università di Salerno e del Cnr-Spin di Salerno e che  «Rappresenta in assoluto la più alta densità di corrente elettrica al mondo che, senza alcuna perdita di energia, può essere fatta scorrere in un materiale, ed apre promettenti e concrete prospettive, tra le altre, nel campo della produzione, trasferimento ed immagazzinamento di energia, ed in particolare nel settore della fusione nucleare. Infatti, a 20 K, che è la temperatura di applicazione prevista per la fusione nucleare commerciale, il filo è ancora in grado di trasportare oltre 150 MA/cm2 in self-field e oltre 60 MA/cm2  in un campo magnetico da 7 Tesla, presentando una forza di pinning di circa 4.2 Teranewton per metro cubo».

Al Cnr sottolineano; «Il risultato, che si candida ad avere un forte impatto sulla società per la sua stretta relazione con i temi energetici, ed in particolare per il netto miglioramento nel rapporto fra costi e prestazioni di cavi per il trasporto elettrico, è stato raggiunto nell'ambito di una collaborazione scientifica internazionale coordinata fra l'Italia  (Università di Salerno, Dipartimento di Fisica e Cnr-Spin), Stati Uniti (State University of New York At Buffalo), e Canada (McMaster University, Hamilton)».

Anche l'autore corrispondente dello studio, Amit Goyal, del Laboratory for Heteroepitaxial Growth of Functional Materials & Devices del Department of Chemical & Biological Engineerin della State University of New York (SUNY) di  Buffalo, è convinto che «Questi risultati aiuteranno a guidare l'industria verso un'ulteriore ottimizzazione delle condizioni di deposizione e fabbricazione per migliorare significativamente la metrica prezzo-prestazioni nei conduttori rivestiti commerciali. E’ necessario rendere la metrica prezzo-prestazioni più favorevole per realizzare appieno le numerose applicazioni su larga scala e previste dei superconduttori».

Le applicazioni dei cavi HTS includono la produzione di energia, come il raddoppio della potenza generata da pale eoliche offshore; sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttiva su scala di rete; trasmissione di energia, come la trasmissione di potenza senza perdite in linee di trasmissione ed efficienza energetica per  trasformatori superconduttori ad alta efficienza, motori e limitatori di corrente per la rete. 

Alla SUNY fanno presente che «Solo una nicchia di applicazione dei fili HTS, la fusione nucleare commerciale, ha il potenziale di produrre energia pulita illimitata. Solo negli ultimi anni, sono state fondate circa 20 aziende private a livello globale per sviluppare la fusione nucleare commerciale e miliardi di dollari sono stati investiti nello sviluppo di fili HTS per questa sola applicazione. Altre applicazioni dei fili HTS includono la MRI di nuova generazione per la medicina, la risonanza magnetica nucleare (NMR) di nuova generazione per la scoperta di farmaci e magneti ad alto campo per numerose applicazioni di fisica. Ci sono anche numerose applicazioni di difesa, come nello sviluppo di navi completamente elettriche e aerei completamente elettrici». 

Attualmente, la maggior parte delle imprese che producono fili HTS ad alte prestazioni e lunghi chilometri utilizzano una o più innovazioni tecnologiche sviluppate in precedenza da Goyal e dal suo team. Il nuovo studio illustra i fili superconduttori ad altissime prestazioni, basati sula tecnologia REBCO e la pellicola HTS del team, nonostante abbia uno spessore di soli 0,2 micron, può trasportare una corrente paragonabile a quella dei fili superconduttori in commercio  con una pellicola HTS quasi 10 volte più spessa. 

E Goyal  è cinvinto che «Sono ancora possibili significativi miglioramenti delle prestazioni e quindi la conseguente riduzione dei costi che potrebbe potenzialmente essere realizzata nei cavi HTS commerciali ottimizzati»

Il segmento di filo HTS è stato fabbricato su substrati utilizzando la tecnologia MgO (IBAD) e «L'elevata densità di corrente critica è stata resa possibile da una combinazione di effetti di pinning derivanti dal drogaggio con terre rare, difetti del punto di ossigeno e nanocolonne isolanti di zirconato di bario e le loro morfologie» afferma Goyal.

Un altro autore dello studio, Rohit Kumar, ricercatore post-dottorato al laboratorio diretto da Goyal, fa notare che: «Il film HTS è stato realizzato utilizzando un avanzato sistema di deposizione laser pulsato tramite un attento controllo dei parametri di deposizione. Nella deposizione laser pulsata, un raggio laser colpisce un materiale bersaglio e ne asporta il materiale, che viene depositato come una pellicola su un substrato opportunamente posizionato».

Goyal aggiunge; «Abbiamo anche condotto una microscopia a risoluzione atomica utilizzando i microscopi più avanzati presso il Canadian Center for Electron Microscopy della McMaster University per la caratterizzazione di difetti nanocolonnari e su scala atomica e abbiamo anche condotto alcune misurazioni delle proprietà superconduttive presso l'Università di Salerno in Italia».