Thema: Der Strom aus der Kälte : Supraleitung steht endlich vor konkreten Anwendungen

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Der Strom, der aus der Kälte kam

Reinhard Heller steht an der Brüstung und feixt: "Eigentlich ist das da unten eine riesige Thermoskanne", sagt der Physiker vom Forschungszentrum Karlsruhe und zeigt auf einen Edelstahltank. Das brauereikesselgroße Ding ist gut wärmeisoliert, denn in seinem Inneren, gekühlt durch Flüssigstickstoff, herrschen frostigste Temperaturen – es dient als Teststand für so genannte Supraleiter. Das sind Stoffe, die elektrischen Strom bei starker Kälte verlustfrei leiten. Mit dem Gerät schafften Heller und seine Kollegen jüngst einen Weltrekord der besonderen Art: Sie schickten einen Strom von 75.000 Ampere durch eine ungewöhnliche Art von Kabel – einen keramischen Hochtemperatur-Supraleiter.

Seit fast zwei Jahrzehnten schwärmen Forscher von dieser Stoffklasse und deren fantastischen Eigenschaften. 1986 hatten der Deutsche Georg Bednorz und der Schweizer Alexander Müller völlig überraschend entdeckt, dass bestimmte Sorten von Keramik elektrischen Strom schon bei relativ hohen Temperaturen ohne jeden Widerstand leiten. Zuvor kannte man dieses Phänomen der Supraleitung nur von einigen Metallen, wenn sie mit Flüssighelium auf Extremtemperaturen von etwa vier Grad Kelvin (minus 269 Grad Celsius) gekühlt werden. Bei den Keramiken hingegen genügt eine Kühlung mit flüssiger Luft auf rund minus 196 Grad Celsius; das brachte ihnen den Namen "Hochtemperatur-Supraleiter" ein. Bednorz und Müller bekamen 1987 den Nobelpreis für Physik, die Fachwelt verfiel in Euphorie. Die Forscher träumten davon, die Keramiken in Windeseile zu ultrastarken Elektrogeneratoren, verlustfreien Stromkabeln und schnellen Transistoren zu verarbeiten.

Doch zunächst täuschte die Hoffnung: Die Produktion der wundersamen Oxidkeramiken erwies sich als schwierig, ihr Werkstoffverhalten als widerspenstig. Erst jetzt - fast 20 Jahre nach ihrer Entdeckung – stehen die Keramikkristalle an der Schwelle zur Markteinführung. In einigen Jahren, so hofft die Zunft, sollen Schiffsmotoren, Netzkabel, Magnetsensoren und womöglich gar neuartige Schwebebahnen auf Supraleiter- Basis endlich für merkliche Umsätze sorgen.

Der Durchbruch auf Raten hat seine Gründe: Ähnlich wie Porzellan sind Hochtemperatur-Supraleiter äußerst spröde, zudem zerbröseln sie leicht. Deshalb mussten die Experten ein völlig neues Know-how entwickeln, um sie zu Drähten verarbeiten zu können – eine unabdingbare Voraussetzung für viele Anwendungen. Den entscheidenden Trick schauten sich die Forscher von der Glasfaser ab. "Gewöhnliches Glas bricht, wenn man es biegt", sagt Wolfgang Nick, Physiker bei Siemens in Erlangen. "Doch verarbeitet man das Glas zu einer dünnen Faser, lässt es sich bis zu einem bestimmten Grad biegen." Bei den Supraleitern betten die Ingenieure feinste Filamente einer wismuthaltigen Keramik in einen Flachdraht aus Metall ein. "Heute lässt sich das Zeug kilometerweise verarbeiten", erläutert Nick. "Mit diesen Drähten schaffen wir einen Stromfluss von 100 Ampere pro Quadratmillimeter Querschnitt, ein gleich dickes Kupferkabel bringt es auf gerade drei Ampere."

Wickelt man diese Drähte zu Spulen, lassen sich kompakte und überaus kräftige Elektromotoren bauen. In diesen Motoren herrscht allerdings ein Magnetfeld von einigen Tesla – gekühlt mit Flüssigstickstoff würde die Supraleitung bei solch starken Feldern zusammenbrechen. "Also müssen wir sie mit Flüssigneon auf minus 250 Grad Celsius kühlen", sagt Nick. "Dennoch ist das ein guter Deal. Kältemaschinen für Neon sind deutlich kleiner als Aggregate für Helium, und damit wird die Sache machbar."

Einen mit 400 Kilowatt noch relativ kleinen Prototypen hat Siemens drei Jahre lang getestet. Der Motor besteht wie üblich aus dem Rotor, dem rotierenden Teil, und dem festen Teil, Stator genannt - aber der supraleitende Rotor erzeugt höhere Magnetfelder als ein normalleitender. Seit August letzten Jahres ist bei Siemens ein neues, immerhin vier Megawatt starkes Aggregat auf dem Versuchsstand. Dessen Vorteil: Es ist nur halb so groß und schwer wie ein gewöhnlicher Elektromotor und könnte künftig auf einem Schiff für den Bordstrom sorgen. "Platz zählt zum Wertvollsten an Bord", sagt Nick. Weiter ist man in den USA: Dort kreuzt eine Fregatte der Navy bereits mit einem Fünf-Megawatt-Motor der Firma American Superconductor durch die Wogen - ein Nebenantrieb für Schleichfahrten im Feindgebiet. Für dieses Jahr haben die Militärs sogar ein 36,5-Megawatt-Aggregat bestellt.

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Quelle : www.heise.de

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Stromleitung ohne Widerstand - und das bei Zimmertemperatur? Das ist das ultimative Ziel bei der Forschung an Hochtemperatur-Supraleitern. Wissenschaftler aus Deutschland und der Schweiz zeigen nun, dass das bisherige physikalische Modell des Prozesses komplett überarbeitet werden muss.

Der wundersame Effekt hilft im - derzeit defekten - Teilchenbeschleuniger LHC, den Teilchenstrahl auf Kurs zu halten. In Kernfusionsreaktoren sorgt er dafür, dass das extrem heiße Plasma nicht die Wände zerstört. Aber auch, wer sich in einem Krankenhaus einer Kernspintomografie unterziehen muss, kann von ihm profitieren: Bei der Supraleitung verlieren Materialien unter bestimmten Bedingungen ihren elektrischen Widerstand, was zum Beispiel die Erzeugung besonders starker Magnetfelder mit Hilfe supraleitender Spulen möglich macht.

Kristallstruktur eines eisenbasierten Supraleiters: Die Eigenschaften der Schicht aus Eisenatomen (goldene Kugeln) wurden mit Hilfe von Myonen (weißer Pfeil) untersucht.

Normalerweise passiert das bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts (- 273,15 Grad Clesius). Doch in den vergangenen Jahren wurden immer mehr sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter entdeckt, bei denen sich der Effekt auch bei höheren Temperaturen zeigt. Weltweit arbeiten Forscher daran, diesen Prozess bis ins Detail zu verstehen. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler aus Deutschland und der Schweiz nun gezeigt, dass das bisherige physikalische Modell überarbeitet werden muss. Sie haben sich einen ganz besonderen Hochtemperatur-Supraleiter aus eisenbasiertem Material angesehen, der erst im vergangenen Jahr von japanischen Wissenschaftlern entdeckt wurde.

Mit den bis dahin bekannten Hochtemperatur-Supraleitern auf Kupferbasis hat die neue Materialklasse vieles gemeinsam: Die Kristallstruktur ist in Schichten aufgebaut, in denen der Strom fließt. Gleich ist auch, dass beide Substanzen aus einem nicht-supraleitenden Ausgangsmaterial entstehen, in dem die Menge an elektrischen Ladungen durch den gezielten Einbau bestimmter Atome gezielt verändert wird.

Doch es gibt auch entscheidende Unterschiede: Der Ausgangsstoff für die Kupfer-Supraleiter ist ein magnetischer Isolator. Er verliert bei wachsendem Gehalt an Fremdatomen zunächst allmählich seinen Magnetismus und wird schließlich supraleitend. Dieser Ablauf galt bisher als Standard für die Vorgänge in Hochtemperatur-Supraleitern - und war damit auch die Basis für die gängigen Theorien zur Entstehung des Effekts. Doch die neuen Eisen-Supraleiter stammen von einem Metall ab. Und vor allem: Bei einer bestimmten Menge von Fremdatomen wechseln sie schlagartig vom magnetischen Zustand zum Supraleiter.

Anders ausgedrückt heißt das, dass der magnetische Zustand die Supraleitung unterdrückt. Die gewünschte Eigenschaft stellt sich aber sofort ein, wenn der magnetische Zustand, der mit einer Störung im Kristallgitter der Substanz einhergeht, zerstört wird. "Das ist eine ganz neue Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern", sagt der Festkörperphysiker Hans-Henning Klauß von der Technischen Universität Dresden im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Er ist einer der Autoren der neuen Studie, die im Fachmagazin "Nature Materials" veröffentlicht wurde.

Ihre Erkenntnisse haben die Forscher mit Hilfe von Myonen gewonnen. Das sind instabile Elementarteilchen, die in einem Schweizer Teilchenbeschleuniger gezielt in das Innere der untersuchten Substanz geschossen wurden. Dort zerfielen sie nach zwei Mikrosekunden. Aus der Flugrichtung des dabei entstehenden Positrons konnten die Forscher die magnetischen Eigenschaften der Probe errechnen - und damit Entscheidendes über die Supraleitung im Inneren des Materials lernen.

Die Forscher hoffen darauf, dass die Supraleitung in Zukunft auch bei noch höheren Temperaturen funktioniert. Dazu müssen sie herausfinden, wie die Störung im Kristallgitter gezielt verhindert werden kann. Speziell in die Probe eingebaute Atome wären eine Möglichkeit, oder hoher Druck von außen.

Zwei Eigenschaften sind wichtig für die praktische Anwendung der Supraleitung. Da wäre als erstes die Temperatur: Für viele praktische Anwendungen liegt eine magische Grenze bei minus 195,80 Grad Celsius. Das ist die Temperatur, bei der Stickstoff flüssig wird. Wer supraleitende Verbindungen kreiert, die bei diesen Temperaturen noch funktionieren, kann sie vergleichsweise einfach kühlen. Für eisenbasierte Hochtemperatur-Supraleiter ist das noch nicht gelungen.

Doch noch eine weitere Eigenschaft ist wichtig: die Verarbeitbarkeit. Und hier sieht Forscher Klauß große Vorteile für die neue Materialklasse - vor allem, weil sie auf einem Metall basiert: "Wir hoffen, dass das technologisch viel einfacher zu verarbeiten ist als die bisher bekannten, sehr spröden keramischen Supraleiter."

Quelle : www.spiegel.de