Si è appena concluso l’anno delle celebrazioni dedicate alla scoperta della superconduttività, avvenuta cento anni fa quando il fisico olandese Heike Kammerlingh Onnes osservò la resistenza elettrica di un filo di mercurio annullarsi improvvisamente alla temperatura di -269 °C e annotò nel quaderno “Kwik nagenoeg nul” (mercurio praticamente nullo). L’anniversario è passato alquanto in sordina, nonostante i progressi conseguiti nel corso del XX secolo riguardanti la scoperta di nuovi superconduttori e il loro impiego in applicazioni commerciali; il tutto contrassegnato da sei premi Nobel per la Fisica a partire dallo stesso Onnes nel 1913.
I settori applicativi più interessanti sono quelli in cui si consegue sia un miglioramento delle prestazioni che una drastica riduzione delle dimensioni e dei pesi delle apparecchiature o nuove funzionalità non conseguibili con l’adozione del filo di rame. È il caso delle apparecchiature biomedicali a risonanza magnetica “total body” (un mercato di oltre 3 miliardi di euro l’anno) e dei sistemi magnetici degli acceleratori di particelle dove i superconduttori sono di fatto insostituibili.
La superconduttività tarda invece ad affermarsi nel settore della produzione, trasporto e uso dell’energia elettrica, che rappresenta il naturale ambito applicativo di materiali privi di resistenza elettrica. Uno spiraglio si aprì 25 anni fa con l’avvento dei “superconduttori ad alta temperatura” in grado di utilizzare come refrigerante l’azoto liquido (-196 °C), facile da produrre, abbondante in natura, economico e già utilizzato in diversi processi industriali. La scoperta provocò un tale entusiasmo da lasciar prevedere una rivoluzione tecnologica. In realtà, la necessità di doverli mantenere a temperature molto basse rappresenta tuttora un handicap che richiede una progettazione specifica dell’apparecchiatura con un aggravio dei costi di investimento e di esercizio.
Potenzialmente tutte le apparecchiature elettrotecniche possono essere equipaggiate con componenti superconduttori, ma solo alcune di esse avranno una possibilità concreta di far parte della rete elettrica del futuro. Il cavo per il trasporto di energia elettrica è sicuramente una delle principali applicazioni: l’utilizzo dei superconduttori permette di limitare le perdite, ridurre di un fattore 3-5 le dimensioni esterne ed eliminare completamente l’inquinamento elettromagnetico. Le prime applicazioni non riguarderanno il trasporto di energia su lunghe distanze, ma verosimilmente il retrofit dei cavi tradizionali nelle aree densamente abitate utilizzando i cavidotti già esistenti. In questo modo viene potenziata la capacità di trasporto della rete elettrica senza ricorrere a opere civili che comportano costi notevoli e disagi per la popolazione.
Nel mondo sono stati realizzati diversi collegamenti con cavi superconduttori. Il progetto più interessante è quello attuato nelle vicinanze di New York dove è in esercizio dal 2008 un cavo superconduttore di 600 metri, raffreddato con azoto liquido, inserito nella rete elettrica ad alta tensione della Long Island power authority. In Germania, l’utility tedesca Rwe ha avviato un progetto che prevede la sostituzione di 1 km di cavo ad alta tensione con un cavo superconduttore in media tensione. In questo modo si potrebbero evitare numerose stazioni di trasformazione AT/MT liberando spazi a ridosso delle aree urbane.
La superconduttività è inoltre protagonista della più costosa scommessa energetica del XXI secolo: il progetto Iter che tenterà di riprodurre sulla Terra il processo di fusione nucleare (che mantiene acceso il Sole e le stelle) per la produzione illimitata di energia. Iter è in costruzione a Cadarache, nel sud della Francia, e costerà 16 miliardi di euro. Tutti i magneti necessari per confinare il plasma a 150 milioni di gradi sono obbligatoriamente superconduttori in quanto l’uso di magneti resistivi farebbe assorbire più energia di quella generata. L’avvio della produzione è prevista nel 2027 e in caso di successo verrà costruito l’impianto Demo da 2 GW che aprirà la strada ai primi reattori a fusione commerciali entro il 2050. L’Europa ha già stanziato un finanziamento di 1,3 miliardi di euro per il periodo 2012-2013 e il consorzio italiano Icas, coordinato dall’Enea, si è aggiudicato uno dei contratti di fornitura dei cavi superconduttori per Iter.
Da segnalare anche l’interessante progetto statunitense Tres Amigas SuperStation che prevede l’utilizzo di un cavo superconduttore in corrente continua da 5 GW per interconnettere tre reti elettriche di trasmissione e garantire una migliore integrazione e gestione di impianti da fonti rinnovabili intermittenti. Il cavo superconduttore costituisce una sorta di hub per far fluire senza perdite la corrente elettrica nell’anello di collegamento delle tre reti. Altre applicazioni della superconduttività nella rete elettrica che potrebbero risultare interessanti nel medio termine sono i limitatori delle corrente di guasto e i generatori da 10-20 MW per turbine eoliche off-shore.
Un altro settore dove la superconduttività sta assumendo un ruolo importante è quello dei trasporti ad alta velocità, grazie al treno Maglev (acronimo di Magnetic levitation) in grado di viaggiare senza contatto ruota-rotaia a oltre 500 km/h con un buon livello di comfort per l’assenza di vibrazioni e la ridotta rumorosità. Esiste già una versione con elettromagneti convenzionali utilizzata in Cina per il collegamento dell’aeroporto di Shanghai con il centro della città.
La Central Japan railway company ha preferito puntare sul treno Maglev con elettromagneti superconduttori che non necessita di sistemi attivi di controllo della posizione. Il Maglev giapponese detiene il record mondiale di velocità pari a 581,7 km/h e costituirà una valida alternativa sui percorsi inferiori a 1000 km. Sulla linea sperimentale di Yamanashi, lunga 42,8 km di cui l’80% in galleria, sono in corso i test necessari per procedere alla realizzazione della nuova linea Chuo Shinkansen che collegherà Tokyo e Osaka in un’ora alla velocità di 500 km/h (attualmente i treni ad alta velocità percorrono la tratta in 2 ore e mezza). Il costo stimato è di circa 50 miliardi di euro; il primo tratto sarà operativo entro il 2027 (Tokyo-Nagoya), mentre l’intera tratta sarà terminata entro il 2045.
Un’osservazione conclusiva: i fisici stanno cercando di elaborare una teoria microscopica in grado di spiegare il fenomeno, ancora sconosciuto, che permette ad alcuni materiali di diventare superconduttori al di sotto di una determinata temperatura. Tale teoria sarà di fondamentale importanza in quanto potrebbe indicare la strada per arrivare al superconduttore a temperatura ambiente che, oltre a conquistare il settimo Nobel della Fisica e la prima pagina delle principali riviste internazionali, rivoluzionerà gran parte delle attuali tecnologie e influenzerà inevitabilmente la nostra vita quotidiana.
