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4-04-2016

Posted by in Fisica, Prima Pagina, Tecnologia | Comments Off on Lev­i­tazione: la magia del mondo quan­tis­tico

Lev­i­tazione: la magia del mondo quan­tis­tico

Chi non hai mai sog­nato di pot­ersi librare in aria ed osser­vare il mondo dall’alto? Per farlo abbi­amo bisogno di una forza sovru­mana, come Super­man, oppure di poter destreg­giare La Forza dell’universo, come i guer­ri­eri Jedi, o ancora di chia­marci David Cop­per­field.

Purtroppo la mag­gior parte di noi non rien­tra in alcuna di queste cat­e­gorie. Non dis­per­ate, la natura sa essere più sor­pren­dente di un film di fan­ta­scienza, come nel caso della lev­i­tazione.

La lev­i­tazione, in fisica, si definisce come l’applicazione di una forza, con­traria alla grav­ità ter­restre (alla quale tutti noi siamo soggetti) in grado di man­tenere fissa la posizione di un corpo. Questo effetto si può ottenere in diversi modi.

Ad esem­pio, le gal­lerie del vento ver­ti­cale per­me­t­tono, tramite un getto d’aria a 180 km/h diretto verso l’alto, di provare l’ebbrezza del volo. Unico incove­niente: il forte “vento”.

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La gal­le­ria del vento ver­ti­cale

La lev­i­tazione si può ottenere anche uti­liz­zando campi mag­netici. Ogni calamita ha due poli, chia­mati per con­ven­zione polo sud e polo nord. Quando i poli opposti di due calamite ven­gono avvi­c­i­nati si gen­era una forza attrat­tiva; al con­trario, se i poli sono entrambi nord o sud si gen­era una forza repul­siva. Tale forza può essere uti­liz­zata per sostenere in aria pic­coli o grandi oggetti. Fra i grandi, anzi gran­dis­simi oggetti, ci sono i treni. Veri treni, non trenini da mod­el­lis­tica.

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Il Shang­hai MAGLEV Train

Il primo MAGLEV fece la sua com­parsa nel 1979 ad Amburgo, in Ger­ma­nia. Da allora i treni a lev­i­tazione mag­net­ica si sono dif­fusi in tutto il mondo, spe­cial­mente in Giap­pone e in Cina. Il van­tag­gio di usare treni MAGLEV è che quest’ultimi, essendo sospesi da terra gra­zie alla repul­sione mag­net­ica, non sono osta­co­lati dall’attrito tra ruote e rotaia ma solo da quello prodotto con l’impatto con l’aria. Il basso attrito con­sente ai treni a lev­i­tazione di rag­giun­gere alte veloc­ità ad un costo ener­getico con­tenuto. Attual­mente, il record di veloc­ità è detenuto da un MAGLEV giap­ponese che nel 2015 ha rag­giunto la notev­ole veloc­ità di 603 km/h!

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Schema di un treno a sospen­sione mag­net­ica. Immag­ine da ninpope-physics.comuv.com

I MAGLEV sono fan­tas­tici ma, come potete immag­inare, per soll­e­vare un treno da centi­naia di ton­nel­late ser­vono campi mag­netici potenti, generati da cor­renti molto intense. 

Come è pos­si­bile diminuire i costi e soll­e­vare i MAGLEV con campi mag­netici molto più pic­coli?

La risposta ce la dà la natura stessa e si chiama “Mate­ri­ali Super­con­dut­tori”.

Nel 1911 il pre­mio Nobel per la Fisica, l’olandese Heike Kamer­lingh Onnes, scoprì che alcuni met­alli, raf­fred­dati al dis­otto di una tem­per­atura crit­ica, man­i­fes­tano una resistenza elet­trica pari a zero.

Che cos’è la resistenza elet­trica? Quando gli elet­troni si muovono, pro­ducendo cor­rente elet­trica, urtano gli atomi del mate­ri­ale in cui scor­rono per­dendo parte della loro ener­gia. L’insieme di  queste col­li­sioni è all’origine della resistenza elet­trica. Per per­me­t­tere agli elet­troni di con­tin­uare a muoversi, dob­bi­amo fornire costan­te­mente dell’energia dall’esterno. Quanto più la resistenza è bassa, tanto è più alta la mobil­ità degli elet­troni (con­dut­tiv­ità). In un super­con­dut­tore suc­cede qual­cosa di inaspet­tato: gli elet­troni si muovono senza mai scon­trarsi con gli atomi e quindi la resistenza è zero. Questa pro­pri­età, che sfida la log­ica, è una man­i­fes­tazione della natura quan­tis­tica degli elet­troni. La con­seguenza è che un’energia quasi nulla è suf­fi­ciente ad ottenere una cor­rente elet­trica e una con­dut­tiv­ità infi­nite. È pro­prio l’altissima con­dut­tiv­ità a dare il nome a questa classe di mate­ri­ali.

Una sec­onda pro­pri­età fan­tas­tica dei mate­ri­ali super­con­dut­tori è che non amano i campi mag­netici e quando ne sono attra­ver­sati li espel­lono all’esterno. Questo fenom­eno prende il nome di Effetto Meiss­ner.

effetto meissner

Un nor­male mate­ri­ale viene attra­ver­sato dal campo mag­netico, un super­con­dut­tore invece lo resp­inge. Immag­ine da global-sel.com

In realtà la natura è sem­pre un pò più com­pli­cata e nei mate­ri­ali reali esistono dei pic­coli difetti che fanno sì che il campo mag­netico riesca a pen­e­trare all’interno. Dato che la pre­senza del campo mag­netico dis­trug­gerebbe la super­con­dut­tivita’, il mate­ri­ale super­con­dut­tore trova un com­pro­messo: il campo mag­netico e’ con­fi­nato in minus­cole regioni di spazio in cui si com­porta come una partella quan­tis­tica, chia­mata flus­sone. Spostare un flus­sone costa ener­gia e in vol­ume di 1 mm cubo ci sono circa 100 mil­iardi di flus­soni: per questo il super­con­dut­tore rimane bloc­cato a mezz’aria a una dis­tanza fissa dal mag­nete. Tale fenom­eno è definito lev­i­tazione quan­tis­tica. L’effetto di ancor­ag­gio prodotto dai flus­soni è tal­mente forte che se il mag­nete viene ruo­tato attorno a una direzione dello spazio qual­si­asi il super­con­dut­tore si ori­enta seguendo il mag­nete. Risul­tato: la posizione rel­a­tiva del super­con­dut­tore rispetto al mag­nete è costante nel tempo.

flussoni

Linee di flusso del campo mag­netico attra­verso un disco di mate­ri­ale super­con­dut­tore (azzurro) che levita sopra un mag­nete (metal­lico, in basso). Si vede come il super­con­dut­tore resp­inge il campo mag­netico, ma viene comunque attra­ver­sato da parte di esso, cau­sando la lev­i­tazione quan­tis­tica. Immag­ine da quantumlevitation.com

In una inter­es­sante lezione di Almog Boaz per TED viene mostrato come un disco, fatto di una ceram­ica super­con­dut­trice e spesso solo mezzo micron (micron = un milles­imo di mil­limetro) sia in grado di lev­itare soste­nendo un oggetto di 70000 volte il suo peso. Se prendis­simo un las­tra super­con­dut­trice spessa solo 2 mm questa sarebbe in grado di sostenere circa 1000 kg, il peso di un auto­mo­bile.

Tutto sem­bra fan­tas­tico, ma allora per­chè non esistono ancora MAGLEV che sfrut­tano la lev­i­tazione quan­tis­tica?

Il prob­lema prin­ci­pale è che queste pro­pri­età quan­tis­tiche si man­i­fes­tano in mate­ri­ali raf­fred­dati a tem­per­a­ture molto basse (-240 °C). Alcune ceramiche molto promet­tenti, com­poste da rame e ossigeno (cuprati), mostrano super­con­ducibil­ità a tem­per­a­ture rel­a­ti­va­mente alte, –135 °C ma che neces­si­tano comunque di azoto liq­uido per essere raf­fred­date. Di certo, se gli scien­ziati rius­cis­sero a trovare mate­ri­ali che siano super­con­dut­tori a tem­per­a­ture alte, tra i 0 e i 20 °C, allora la strada per lo sviluppo del trasporto a lev­i­tazione quan­tis­tica sarebbe spi­anata davanti a noi. 

Bib­li­ografia:

  1. http://www.theguardian.com/world/2015/apr/21/japans-maglev-train-notches-up-new-world-speed-record-in-test-run
  2. http://quantumlevitation.com/
  3. http://www.nature.com/scitable/blog/student-voice/a_closer_look_at_quantum

 

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