Se pensi che le tecnologie di Star Trek sembrino inverosimili, pensa di nuovo. Molti dei dispositivi dell'acclamata serie televisiva stanno lentamente diventando realtà. Anche se potremmo non teletrasportare le persone dalle astronavi alla superficie di un pianeta in qualunque momento presto, ci stiamo avvicinando allo sviluppo di altri strumenti essenziali per i futuri viaggi nello spazio.

Sono un fan di Star Trek da una vita, ma sono anche un ricercatore specializzato nella creazione di nuovi materiali magnetici. Il campo della fisica della materia condensata comprende tutte le nuove fasi solide e liquide della materia, e il suo studio ha portato a quasi tutti i progressi tecnologici del secolo scorso, dai computer ai cellulari alle celle solari.

Il mio approccio alla ricerca di nuovi fenomeni nei materiali deriva da una prospettiva chimica:come possiamo creare materiali con nuove proprietà che possono cambiare il nostro mondo, ed eventualmente essere usato per esplorare "strano, nuovi mondi"? Credo che una comprensione dei cosiddetti "materiali quantistici" in particolare sia essenziale per rendere la fantascienza un fatto.

Materiali quantistici

Cosa rende una sostanza un materiale quantistico? I materiali quantistici hanno proprietà insolite e fantastiche che derivano da un numero enorme di particelle che agiscono in modo concertato.

Pensa a un direttore d'orchestra che dirige una sinfonia:senza alcun ordine portato alla musica, tutto ciò che hai è rumore. Più musicisti hai che si esibiscono fuori passo, più rumore avrai.

Un materiale quantistico ha tutti i musicisti costituenti, in questo caso, gli elettroni o gli atomi in un materiale, che ammonta a miliardi e miliardi di particelle che agiscono in un certo modo secondo regole quantistiche, o lo "spartito, " se vorrai.

Invece del rumore di movimenti elettronici e atomici casuali, con un direttore si ottiene la musica o, nel caso di nuovi materiali, una nuova proprietà che emerge. L'uso di queste nuove proprietà per i dispositivi è ciò che sta guidando le rivoluzioni tecnologiche a cui stiamo assistendo oggi.

Campi magnetici e schermi

Così, come possono essere utilizzati questi nuovi materiali nella navicella spaziale di domani? Un esempio potrebbero essere gli scudi forzati che proteggono le navi in ​​Star Trek. Campi magnetici elevati potrebbero essere utilizzati per proteggere i corpi dai proiettili in arrivo, soprattutto se i proiettili hanno una carica elettrica.

Come si creano grandi campi magnetici? Un modo è usare un magnete superconduttore. I superconduttori hanno elettroni che conducono elettricità senza resistenza al flusso. Una delle conseguenze di ciò è che possono essere generati grandi campi magnetici:la corrente supportata da un superconduttore che genera il campo magnetico può essere enorme senza distruggere la stessa superconduttività.

Questi superconduttori vengono utilizzati ogni giorno per creare grandi campi magnetici in luoghi come gli ospedali per i dispositivi MRI (risonanza magnetica) per vedere all'interno del corpo.

I superconduttori avanzati potrebbero avere nuove applicazioni come scudi magnetici per veicoli spaziali. Immagina la tua astronave rivestita di un superconduttore in grado di generare un grande campo magnetico con un semplice tocco di un interruttore per far scorrere la corrente, creando uno scudo di forza magnetica.

Questo è esattamente ciò che gli scienziati dell'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, CERN, stanno studiando:un nuovo scudo magnetico per veicoli spaziali:il diboruro di magnesio superconduttore, o MgB₂.

Superconduttori su astronavi

Un'astronave rivestita di magneti superconduttori genererebbe una "magnetosfera" attorno al velivolo che potrebbe essere utilizzata per deviare proiettili dannosi. Anche se non dobbiamo ancora preoccuparci dei siluri Klingon, dobbiamo preoccuparci dei raggi cosmici dannosi nello spazio esterno per i futuri viaggi nello spazio.

I raggi cosmici sono tipicamente particelle cariche che possono interferire con l'elettronica di un veicolo spaziale, e, cosa più importante, dare agli astronauti una dose letale di radiazioni durante i lunghi voli spaziali.

Proteggere i futuri veicoli spaziali da questi raggi è di fondamentale importanza per il futuro di qualsiasi programma spaziale, compresi i viaggi su Marte nei prossimi decenni. E chi lo sa, con gli scudi magnetici superconduttori potresti essere in grado di sfuggire a un attacco romulano lungo la strada.

Ostacoli tecnici

C'è una cattura, però. I superconduttori non funzionano ad alte temperature e non esiste un superconduttore a temperatura ambiente. Al di sopra di una certa temperatura detta "temperatura critica, " il superconduttore diventa "normale" e gli elettroni sperimentano una resistenza al flusso di nuovo. Per il diboruro di magnesio, questo si verifica a una temperatura molto fredda, intorno a -248 . Questo in realtà va bene per lo spazio interstellare dove la temperatura di fondo è molto più fredda di -270 circa, ma non favorisce la visita di veicoli spaziali su altri pianeti più caldi.

Scienziati come me sono alla ricerca di superconduttori a "temperatura ambiente" che consentano a questi scudi di funzionare a temperature molto più elevate. Ciò consentirebbe anche nuovi progressi alla società come un'assistenza sanitaria più economica, Per esempio, dal momento che non sarebbero necessarie basse temperature per far funzionare gli strumenti MRI.

Però, la superconduttività ad alta temperatura è stata un mistero per decenni, e il progresso è a lenti incrementi. Come qualcuno che lavora al confine tra fisica e chimica, Credo che la risposta si troverà nella scoperta di nuovi materiali. Storicamente, è qui che sono stati compiuti progressi per aumentare la temperatura critica a uno al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido di -196 ℃.

Questi superconduttori sarebbero fantastici da usare come dispositivi di scudo magnetico se stavi esplorando molte aree della galassia. Ma non funzionerebbero su pianeti più caldi come Marte senza quantità significative di criogeni per mantenere freddi i magneti.

Computer quantistici e rivoluzione sociale

La tecnologia dei superconduttori avrebbe anche una varietà di altri usi a bordo delle navi stellari. I computer quantistici possono eseguire operazioni di ordini di grandezza più veloci dei computer convenzionali, e sarebbe senza dubbio utilizzato su una moderna nave stellare. Devi inviare un messaggio crittografato alla Flotta Stellare? Se i Klingon hanno un computer quantistico, potrebbero essere in grado di intercettare e hackerare il tuo messaggio, quindi è meglio assicurarsi di comprendere la tecnologia.

E i sistemi elettrici superconduttori verrebbero naturalmente utilizzati per i dispositivi più efficienti, dai motori delle astronavi fino ai tricorder utilizzati nelle missioni di trasferta. L'emergere di superconduttori a temperatura ambiente darebbe vita a una trasformazione della nostra società che rivaleggiava con l'era del silicio dell'elettronica moderna. La loro scoperta è un ostacolo essenziale da superare per la parte successiva della nostra evoluzione come specie verso una nuova era tecnologica.

Sarebbe estremamente logico continuare la nostra ricerca di un superconduttore a temperatura ambiente. Se solo potessimo farlo così. I materiali quantistici offrono strani nuovi mondi di scoperta e forse le più eccitanti sono le tecnologie che non abbiamo ancora scoperto, che sfrutteranno gli effetti quantistici su scala che gli umani possono facilmente vedere.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.