La Rivoluzione elettrica passa per i Diamanti: come l’Argonne Laboratory insegue la Superconduttività a Temperatura ambiente

L’efficienza energetica è, da sempre, il pilastro su cui si fonda lo sviluppo industriale ed economico di una nazione. Da decenni la scienza dei materiali rincorre un traguardo che avrebbe ricadute infrastrutturali colossali: la superconduttività a temperatura ambiente. Immaginate reti elettriche in cui la corrente scorre senza alcuna resistenza, annullando di fatto le dispersioni termiche che oggi costano miliardi alle nostre economie. Si tratta di un sogno ingegneristico e, in ultima analisi, macroeconomico, che oggi sembra fare un passo decisivo verso la realtà grazie alle ricerche del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) presso l’Argonne National Laboratory.

I superconduttori attuali sono strumenti formidabili per l’industria e la medicina, ma portano con sé un fardello tecnologico non indifferente. Il loro principio fisico permette all’elettricità di fluire senza perdite e dispersioni, ma affinché ciò avvenga, la quasi totalità di questi materiali richiede temperature di esercizio estreme, spesso centinaia di gradi sotto lo zero.

Attualmente, i superconduttori sono impiegati in settori specifici:

• Macchinari per la risonanza magnetica (MRI) negli ospedali
• Grandi acceleratori di particelle per la ricerca fondamentale
• Treni a levitazione magnetica (Maglev)
• Sperimentali sistemi avanzati di trasmissione dell’energia elettrica ad altissima efficienza

Mantenere tali condizioni criogeniche richiede però sistemi di raffreddamento complessi e onerosi, confinando l’impiego di questa tecnologia ad ambiti in cui il costo è giustificabile.

La novità giunge oggi dallo studio di una particolare classe di materiali noti come “superidruri“. Si tratta di composti formati prevalentemente da idrogeno, tenuto insieme in una struttura cristallina ordinata da una piccola quantità di atomi metallici. I ricercatori hanno dimostrato che questi materiali possono raggiungere lo stato superconduttivo a temperature decisamente più miti, intorno ai -12 gradi Celsius (10 gradi Fahrenheit). Un balzo in avanti notevole rispetto al gelo siderale richiesto in precedenza.

C’è, tuttavia, un ostacolo tecnico non trascurabile. Per attivare la superconduttività in questi superidruri, è necessario sottoporli a pressioni inimmaginabili, paragonabili a quelle presenti nelle viscere del nostro pianeta. Parliamo di circa 1,4 milioni di volte la pressione atmosferica standard. In sintesi: la scienza ha in gran parte risolto il problema del freddo, ma ha introdotto il problema dello schiacciamento.

Per raggiungere in laboratorio simili livelli di compressione, il team guidato dal fisico Maddury Somayazulu ha utilizzato un ingegnoso dispositivo a “incudine di diamante“, spremendo un campione microscopico tra le facce di due diamanti. Un approccio affascinante, ma palesemente impraticabile per stendere i cavi dell’alta tensione lungo le nostre valli.

La vera svolta di questa ricerca, però, non risiede unicamente nel risultato empirico, ma nella nuova capacità di poterlo osservare e manipolare. Grazie al recente aggiornamento dell’Advanced Photon Source (APS), un acceleratore del DOE che produce raggi X ad altissima energia, gli scienziati sono ora in grado di studiare la struttura atomica di questi materiali sotto estrema pressione con un dettaglio senza precedenti. Il raggio X, focalizzato su un campione spesso pochi micrometri (circa un settantesimo di un capello umano), ha permesso di isolare i dati del materiale da quelli dei diamanti circostanti.

Studio degli atomi con i raggi X per identificare la superconduttività.

I risultati hanno confermato che minuscole variazioni nella disposizione degli atomi all’interno del reticolo cristallino influenzano in modo drastico la superconduttività. Sono state identificate due diverse strutture cristalline, ciascuna in grado di diventare superconduttiva a temperature leggermente sfalsate. Mentre in passato si era utilizzato un superidruro a base di lantanio, i ricercatori hanno scoperto che aggiungendo una piccola quantità di ittrio la struttura diventa più stabile, abbassando la pressione necessaria.

Come si passa, quindi, dal laboratorio all’industria? La strategia degli scienziati si basa sull’analogia con i diamanti stessi. In natura, i diamanti si formano solo sotto enormi pressioni e temperature geotermiche, ma con il tempo l’industria ha imparato a sintetizzarli aggirando quelle condizioni estreme. L’obiettivo è tracciare lo stesso percorso per i superidruri.

L’idea è quella di aggiungere progressivamente nuovi elementi chimici per abbassare sempre di più la soglia di pressione richiesta. I dati sperimentali purissimi forniti dall’APS non sono fine a se stessi, ma andranno ad alimentare modelli teorici e strumenti di intelligenza artificiale. Invece di procedere per infiniti tentativi fisici, l’IA simulerà innumerevoli composizioni multi-elemento, indicando ai ricercatori solo le leghe più promettenti da testare materialmente.

Si tratta di un classico, e virtuoso, esempio di investimento pubblico in ricerca fondamentale, essenziale per sbloccare l’innovazione tecnologica che i privati, da soli, faticherebbero a finanziare. Se i calcoli si riveleranno corretti, la scoperta di un materiale superconduttore a pressione e temperatura ambiente cambierà per sempre i connotati dell’infrastruttura elettrica globale, rendendo l’energia finalmente libera dalla tassa invisibile della dispersione termica.

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