La Teresa Puig és professora d'Investigació a l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) i doctora en Física per la Universitat Autònoma de Barcelona. La seva recerca se centra en els materials superconductors, amb l'objectiu de desenvolupar tecnologies innovadores per a un futur energètic més eficient i sostenible.
Actualment, dirigeix el grup de recerca SUMAN i la seva activitat científica ha estat reconeguda amb diversos premis com el Premi Ciutat de Barcelona o recentment el premi James Wong de l’Institute of Electrical and Electronics Engineers, l’organització professional tècnica més gran del món. Amb ella parlem de sobre superconductors i el seu paper en el futur energètic i la fusió nuclear.
Què és exactament la superconductivitat?
Els materials superconductors són capaços de conduir l'electricitat sense cap resistència. Això significa que el corrent elèctric circula sense perdre energia, fet que els converteix en materials d'una eficiència excepcional. Aquesta propietat obre la porta a moltes aplicacions. Una de les més conegudes és la ressonància magnètica dels hospitals, però també n'hi ha de més sorprenents, com els trens de levitació magnètica.
Levitació magnètica? Com funcionen aquests trens?
La levitació magnètica és possible gràcies a dos components essencials. D’una banda, els imants de la via per l’altra el material superconductor del tren. El tren no arriba a tocar mai la via, sinó que queda "guiat" pel camp magnètic produït pel material superconductor del tren. Això fa que només pugui seguir el recorregut de la via i el converteix en un sistema pràcticament immune al descarrilament. Pot semblar ciència-ficció, però és una tecnologia que ja és una realitat.
Per què els superconductors poden ser tan importants per al nostre futur energètic?
Perquè poden intervenir en moltes de les etapes del nostre sistema energètic. D'una banda, permeten transportar i distribuir electricitat amb una eficiència molt superior a l'actual. De l'altra, fan possible una de les tecnologies que probablement marcaran el futur de la producció energètica: la fusió nuclear.
La fusió nuclear és "l'energia de les estrelles", que és exactament...
Les estrelles obtenen la seva energia fusionant dos isòtops d'hidrogen. En lloc de trencar àtoms, com passa a les centrals nuclears de fissió, els uneixen. Quan dos isòtops de l'hidrogen es fusionen, alliberen una enorme quantitat d'energia. El gran avantatge és que aquest procés genera una energia molt més neta i evita bona part dels residus radioactius associats a la fissió convencional. El problema és que reproduir aquestes condicions a la Terra és extraordinàriament difícil. Cal generar un plasma a temperatures enormes i mantenir-lo estable sense que toqui les parets del reactor. Per aconseguir-ho només hi ha una solució viable que passa en utilitzar camps magnètics molt intensos generats amb imants superconductors. Els superconductors d'alta temperatura crítica en què treballem, poden funcionar a -196 °C, la temperatura del nitrogen líquid, permeten generar aquests camps molt més intensos que els materials tradicionals i, alhora, construir reactors molt més compactes.
Per què desperta tanta expectació?
Perquè podria convertir-se en el complement perfecte de les energies renovables. L'energia eòlica i la solar són imprescindibles, però tenen una limitació, depenen del vent i del sol. Hi ha moments en què produeixen molta electricitat i moments en què pràcticament no en generen. La fusió, en canvi, podria produir energia de manera continuada. Els estudis indiquen que podria arribar a aportar aproximadament un 20% de tota l'energia necessària. Pot semblar una proporció modesta, però seria suficient per estabilitzar un sistema basat majoritàriament en fonts renovables i reduir de manera molt significativa la dependència dels combustibles fòssils.
Arribarem realment a obtenir aquesta energia de fusió?
Jo crec que sí. Avui dia, ja no hi ha un problema de física fonamental. Sabem que el procés és possible. El gran repte és tecnològic, s’han de desenvolupar tots els materials i components necessaris perquè funcioni de manera fiable. Actualment, hi ha més de deu mil milions de dòlars invertits arreu del món en aquest objectiu, tant des del sector públic com des del privat. Quan un repte és principalment tecnològic i hi ha aquesta inversió, és raonable pensar que acabarà arribant. No crec que veiem reactors comercials en els pròxims cinc anys, però sí demostracions molt importants de diversos dels seus components. Els imants superconductors probablement estaran plenament validats durant aquest període. Després caldrà completar la resta de tecnologies necessàries fins a arribar al reactor complet. Un cop el primer objectiu estigui assolit, el segon serà principalment una qüestió d'enginyeria i d'escalat industrial.
El projecte ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) continua sent la gran referència mundial en aquest camp?
Sí. L'ITER és el gran demostrador internacional de fusió nuclear impulsat pel sector públic. És un projecte que va començar a finals del segle XX i que ha requerit una enorme cooperació internacional. Precisament aquesta dimensió, també explica part dels retards acumulats. L’ITER es va dissenyar utilitzant superconductors de baixa temperatura crítica, és a dir que necessiten temperatures de temperatures extremament baixes, prop dels -269 °C. Això obliga a construir reactors molt grans. Tot i això, continua sent una infraestructura imprescindible. L'objectiu principal no és generar electricitat comercial, sinó demostrar que és possible obtenir més energia de la que consumeix el mateix reactor durant el procés de fusió. Es preveu que entri en funcionament en 2030. En aquest sentit, actuarà com un gran laboratori internacional on també es podran validar molts altres components indispensables per als futurs reactors comercials.
Paral·lelament, han aparegut nombroses iniciatives privades. Què aporten?
Moltes d'aquestes empreses treballen ja amb superconductors d'alta temperatura crítica, que permeten construir reactors molt més compactes. El primer gran impuls va arribar des dels Estats Units, a partir del MIT i de l'empresa Commonwealth Fusion Systems. Posteriorment, han aparegut iniciatives molt importants a Europa, especialment a Alemanya i França, però també a la Xina, Corea del Sud i el Japó. La majoria van començar amb capital privat, tot i que sovint, compten també actualment amb participació pública. La gran diferència respecte a l'ITER és que aquestes dimensions més reduïdes que permeten els superconductors d’alta temperatura crítica permeten avançar molt més ràpid en la validació de les tecnologies.
Si els superconductors són tan importants, en quin punt estem ara per poder-los utilitzar massivament?
En aquests moments ja sabem fabricar cintes superconductores amb unes prestacions extraordinàries, però el gran coll d'ampolla és la capacitat de producció. La demanda que es preveu per als pròxims anys és molt superior a la capacitat industrial actual. Només cal pensar en els reactors compactes de fusió que s'estan desenvolupant. Un sol reactor pot necessitar prop de 20.000 quilòmetres de cinta superconductora, mentre que tota la producció mundial actual és d'uns 5.000 quilòmetres anuals. Per tant, encara que avui existeixen empreses capaces de fabricar-les, simplement no poden cobrir la demanda que s'espera. Aquest és un dels grans reptes tecnològics dels pròxims anys.
En aquest context apareix el vostre projecte TLAG (Transient Liquid Assisted Growth o Creixement assistit per fase líquida transitòria) en el qual heu treballat. En què consisteix?
TLAG neix precisament amb l'objectiu de resoldre aquest problema. La idea era desenvolupar un procés completament nou que permetés fabricar aquestes cintes superconductores molt més ràpid que els sistemes actuals, sense perdre qualitat. Vam començar demostrant al laboratori que aquesta idea era viable. Les cintes superconductores consisteixen, essencialment, en una capa molt fina de material superconductor dipositada sobre un substrat metàl·lic flexible. Aquest substrat té entre 35 i 50 micres de gruix, mentre que la capa superconductora només en té aproximadament dues. Tot i ser tan prima, és capaç de transportar centenars d'amperes treballant a temperatures de nitrogen líquid.
Quina és la innovació del vostre sistema?
Els processos actuals fan créixer aquesta capa superconductora mitjançant mecanismes relativament lents. Nosaltres hem desenvolupat un mètode que permet que aquest procés tingui lloc dins d'un líquid. Això accelera enormement la fabricació. Després dels primers resultats vam obtenir diversos projectes de prova de concepte i una ERC Advanced Grant, que ens van permetre demostrar que tant les cintes superconductores com el procés de fabricació es podien escalar industrialment sense cap impediment físic ni químic. El més interessant és que aquest sistema permet fabricar les cintes aproximadament cent vegades més ràpid que els processos actuals. Aquesta diferència pot ser determinant si realment volem desplegar reactors de fusió, noves xarxes elèctriques i moltes altres aplicacions durant les pròximes dècades.
Aquesta tecnologia podria donar lloc a una nova indústria?
És precisament el que ens agradaria. Ja hem col·laborat amb diverses empreses internacionals que han mostrat molt interès en aquesta tecnologia. També existeix interès perquè es pugui crear una empresa capaç de fabricar aquestes cintes aquí. Actualment, a Europa pràcticament només hi ha un fabricant important, i ni tan sols produeix el tipus de cinta més adequat per a aplicacions com la fusió nuclear. Per tant, hi ha una oportunitat industrial molt rellevant. Seria una manera de transformar més de deu anys d'investigació en una activitat productiva capaç d'arribar directament a la societat.
A part d'utilitzar-se per construir reactors de fusió, per a què es podrien utilitzar aquestes cintes superconductores?
La fusió és probablement l'aplicació més mediàtica en aquests moments, però les possibilitats són molt més àmplies. Les mateixes cintes poden utilitzar-se per fabricar generadors eòlics més compactes i potents, motors elèctrics d'altes prestacions, cables superconductors, sistemes mèdics o qualsevol altra aplicació que necessiti camps magnètics molt intensos. Segons l'ús final, es poden modificar lleugerament les propietats del material per optimitzar-lo per a una determinada temperatura o un determinat camp magnètic, però el procés de fabricació és essencialment el mateix. Això converteix aquesta tecnologia en una infraestructura estratègica per al desenvolupament de totes les aplicacions basades en superconductors d'alta temperatura crítica.
La demanda mundial d'electricitat continua augmentant, impulsada també per la digitalització i la intel·ligència artificial. Estem preparats?
Queda clar que la digitalització, la intel·ligència artificial, l'electrificació del transport o la indústria necessitaran molta més electricitat. La pregunta és si això significa que haurem de consumir molta més energia. Els estudis disponibles indiquen que no necessàriament. Si aconseguim electrificar pràcticament totes les activitats que avui encara depenen dels combustibles fòssils, hi ha estudis que diuen que l'energia total necessària el 2050 podria ser similar a la que consumim avui. La clau és produir-la d'una altra manera. Cal avançar cap a un sistema basat en energies renovables, electrificació i tecnologies molt més eficients.
Hi ha qui defensa reduir el consum i qui aposta per la innovació tecnològica per un món més sostenible. Quin és el teu punt de vista?
La majoria dels científics pensem que no té sentit intentar fer marxa enrere tecnològicament. La tecnologia ha millorat la qualitat de vida. El repte no és renunciar-hi, sinó desenvolupar tecnologies capaces de mantenir aquest benestar de manera sostenible. És evident que en el passat hem comès molts errors. Però avui la societat és molt més conscient dels límits ambientals i també de la necessitat de trobar un equilibri entre economia, qualitat de vida i sostenibilitat. Aquest és, precisament, un dels grans compromisos de la ciència. La nostra feina és demostrar que aquest equilibri és possible desenvolupant tecnologies que permetin continuar avançant sense comprometre el futur del planeta.
Fa ja més d'un any de la gran apagada elèctrica. Estem en risc que es torni a repetir?
La veritat és que encara no coneixem del tot què va passar. La informació que s'ha fet pública és limitada i encara hi ha molts interrogants. Sembla que hi va influir una elevada penetració d'energies renovables combinada amb una incidència que va desencadenar una reacció en cadena dins la xarxa. Si ens fixem només en les dades disponibles, es podria pensar que el sistema continua tenint vulnerabilitats semblants. Ara bé, m'agradaria creure que, des d'aleshores, s'han introduït millores que no s'han fet públiques. En altres països, per exemple, s'estan desplegant grans sistemes d'emmagatzematge amb bateries capaços d'absorbir aquestes fluctuacions i estabilitzar la xarxa. És possible que també s'hagin fet passos en aquesta direcció aquí, encara que no en coneguem els detalls.
Les bateries creus que són suficients per evitar aquest tipus de situacions?
No. Les bateries són només una part de la solució. L'altre gran repte és la gestió de la xarxa elèctrica. Aquí també hi poden tenir un paper molt important els superconductors pel desenvolupament d’uns dispositius anomenats limitadors de corrent, en els quals nosaltres mateixos també hem treballat dins de diversos projectes europeus. Funcionen com una mena de fusibles. Quan es produeix un pic sobtat de corrent, entren automàticament en funcionament, absorbeixen aquesta sobrecàrrega i, un cop desapareix el problema, recuperen el seu estat inicial sense necessitat de substituir cap component. Aquesta tecnologia permetria construir xarxes molt més interconnectades i molt més resilients.
Per què és tan important interconnectar les xarxes?
Les xarxes molt més mallades o interconnectades permetrien redistribuir molt millor l'energia. Fins ara això és complicat perquè un curtcircuit o qualsevol incidència en xarxes molt mallades pot propagar-se ràpidament a tota la xarxa. Amb els nous sistemes de protecció amb superconductors, aquest risc disminueix considerablement. Naturalment, això també implica una gestió molt més sofisticada. No és només una qüestió d'infraestructura física; també cal desenvolupar nous sistemes de control, programari molt més avançat i una manera diferent d'operar tota la xarxa elèctrica. Aquest és, probablement, un dels grans reptes dels pròxims anys.
El model actual de xarxa també està canviant, no?
Sí, profundament. Quan es va dissenyar la xarxa elèctrica, l'electricitat es produïa en unes poques centrals i viatjava en una única direcció fins als consumidors. Avui això ha canviat. L'energia solar, l'eòlica i l'autoconsum fan que milers de punts diferents injectin electricitat simultàniament a la xarxa de distribució. La xarxa actual mai no havia estat concebuda per funcionar així. Ara ha de ser capaç de rebre energia des de molts punts diferents, sincronitzar-la perfectament i gestionar situacions molt més complexes que les previstes quan es va construir. Adaptar-la a aquesta nova realitat és imprescindible.
Les grans línies d'alta tensió sovint generen polèmica per allà on han de passar. Podem reformular-les?
Necessitarem continuar transportant grans quantitats d'energia, però probablement ho farem d'una manera diferent. Els cables superconductors permeten transportar la mateixa potència treballant a tensions molt més baixes gràcies al fet que no tenen resistència elèctrica. Això aporta diversos avantatges. En primer lloc, augmenta molt la seguretat. També redueix l'impacte territorial perquè aquests cables es poden soterrar amb molta més facilitat i no necessiten els grans corredors de seguretat associats a les línies d'alta tensió convencionals. Ja s'han fet demostracions amb èxit a Alemanya, als Estats Units, al Japó i a Corea del Sud. A la ciutat d'Essen, per exemple, un cable superconductor va funcionar durant quatre anys distribuint electricitat sense incidències. Ara mateix també s'està desplegant una nova instal·lació d'uns dotze quilòmetres a Múnic. A París, a la zona de Montparnasse, també s'està instal·lant un cable superconductor per augmentar considerablement la capacitat de transport sense haver de construir noves infraestructures. Per tant, la tecnologia ja existeix. El repte és decidir fer el pas i substituir progressivament les infraestructures actuals. El refredament dels cables tampoc és un impediment avui en dia.
Com funcionen exactament?
El cablejat amb superconductors d'alta temperatura crítica treballen refrigerats amb nitrogen líquid, que és abundant, econòmic i segur. Tanmateix, els sistemes de refrigeració actuals són molt més eficients que fa unes dècades i, per tant, no suposa cap problema important. A més, si es compara l'energia necessària per mantenir el cable refrigerat amb l'energia que s'estalvia gràcies a l'absència de pèrdues el balanç continua sent clarament favorable.
Imaginar el 2050. Si ens retrobéssim l'any 2050, com creus que haurà canviat el sistema energètic?
M'agradaria veure una societat pràcticament electrificada. Una societat que aprofiti totes les tecnologies disponibles per produir i transportar energia d'una manera molt més eficient. Espero que la superconductivitat sigui una de les eines que hagin fet possible aquesta transformació. Ara tenim els coneixements. Disposem de la tecnologia. El que cal és que administracions, empreses i centres de recerca treballin conjuntament perquè aquestes innovacions arribin realment a la societat.
Aquest any has rebut el premi James Wong de l'IEEE. Què ha representat per a tu?
Ha estat un gran honor i també una sorpresa. És un reconeixement internacional a la feina feta durant vint anys i confirma que el nostre grup és visible i competitiu a escala mundial. També és un estímul per continuar. Fer recerca des d'aquí no sempre és fàcil. Els recursos són més limitats que en altres països, i això ens obliga a ser especialment creatius, a identificar molt bé quins problemes podem resoldre i a construir equips amb molt talent. Aquest premi és també un reconeixement a totes les persones que han format part del grup durant aquests anys.
Pràcticament tota la teva carrera ha girat al voltant dels superconductors. Que t'ha fet mantenir aquest interès durant tant de temps?
Vaig descobrir la superconductivitat mentre estudiava física, just quan es van descobrir els superconductors d'alta temperatura crítica. Em van fascinar immediatament. Eren materials capaços de fer coses que cap altre material podia fer. Vaig fer la tesi doctoral, després el postdoctorat i, quan vaig tornar, vaig continuar treballant en aquest camp. Quan es van descobrir semblava que revolucionarien el món en deu anys. En acabat vam veure que eren materials extraordinàriament complexos. Són ceràmics, però els hem de convertir en fils, en cintes, en bobines... i això ha requerit dècades de desenvolupament. Molta gent que hi havia entrat al principi va acabar abandonant aquesta línia de recerca. Nosaltres ens hi vam quedar. Crec que la perseverança és una part molt important de la ciència. Quan estàs convençut que una cosa no és impossible, sinó simplement difícil, acabes trobant el camí. Mirant enrere, penso que aquest premi també reconeix aquesta perseverança.
Els nous estudiants continuen interessant-se per aquest camp?
Sí, i diria que ara més que fa uns anys. Hi va haver una època en què aquests temes despertaven menys interès. En canvi, ara rebem molts estudiants que ja han sentit parlar de superconductivitat fins i tot abans d'arribar a la universitat. Alguns hi arriben després d'haver vist vídeos o treballs sobre fusió nuclear durant el batxillerat. L'impuls que viu la fusió nuclear ha fet que molta gent descobreixi que existeixen nous materials capaços de canviar completament la manera com produïm i gestionem l'energia. Això és molt positiu. Necessitem una nova generació d'investigadors i investigadores que continuï desenvolupant aquestes tecnologies. La ciència és una cursa de relleus. Cada generació avança una mica més que l'anterior, i aquesta és, probablement, la millor manera de construir el futur.