Supraleitung

Heiße Aussichten für warme Supraleiter

Von Manfred Lindinger
12.04.2006
, 00:00
Vor zwanzig Jahren entdecken Georg Bednorz und Alex Müller an den IBM-Forschungslaboratorien in Rüschlikon bei Zürich den ersten Hochtemperatur-Supraleiter. Die breite technische Anwendung ist den Materialien aber bislang verwehrt geblieben. Das könnte sich bald ändern.
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Zwanzig Jahre ist es her, daß Georg Bednorz und Alex Müller an den IBM-Forschungslaboratorien in Rüschlikon bei Zürich eine überraschende Entdeckung gemacht haben. Sie beobachteten, daß eine Verbindung aus Lanthan, Strontium, Kupfer und Sauerstoff bereits unterhalb von minus 238 Grad den elektrischen Strom ohne jeglichen Energieverlust und damit auch ohne Wärmeabgabe transportiert. Das war erstaunlich, kannte man bis dahin doch nur Metalle und Legierungen, die erst bei wesentlich tieferen Temperaturen supraleitend wurden.

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Die Entdeckung weckte die Hoffnung, daß man die Supraleitung endlich praktisch nutzen könnte. Inzwischen wurden zwar weitere Materialien gefunden, die schon bei vergleichsweise hohen Temperaturen ihren Widerstand verlieren. Die breite technische Anwendung ist den Hochtemperatur-Supraleitern aber bislang verwehrt geblieben. Doch das könnte sich bald ändern, glaubt man den Forschungsarbeiten amerikanischer Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

Konventionelle Supraleiter

Das Phänomen der Supraleitung ist schon seit 1911 bekannt, als der holländische Physiker Heike Kammerlingh-Onnes herausfand, daß Quecksilber seinen elektrischen Widerstand vollkommen verliert, wenn man es mit flüssigem Helium bis auf minus 269 Grad kühlt. Es dauerte aber noch fast ein halbes Jahrhundert, bis die sogenannte BCS-Theorie formuliert wurde, dank deren man den Mechanismus der Supraleitung verstehen konnte, allerdings nur nahe dem absoluten Nullpunkt. Danach ist der verlustfreie Stromfluß auf eine Paarung von Elektronen zurückzuführen, die ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwunden haben und reibungsfrei durch das Kristallgitter wandern. Der Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung liegt indes noch weitgehend im dunkeln.

Kühlung mit flüssigem Stickstoff

Praktisch wird die konventionelle Supraleitung bislang vor allem für Magnetresonanztomographen genutzt. Andere Anwendungen beginnen sich nur langsam durchzusetzen - nicht zuletzt, weil man zur Kühlung der Materialien das recht teure flüssige Helium benötigt. Die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung 1986 löste deshalb zunächst bei vielen Forschern eine beispiellose Euphorie aus. Tatsächlich sind mittlerweile warme Supraleiter gefunden worden, die bereits bei etwa minus 160 Grad in den supraleitenden Zustand übergehen und mit vergleichsweise geringem Aufwand mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können. Den Rekord hält ein Oxyd aus Quecksilber, Barium, Kalzium und Kupfer mit einer kritischen Temperatur von minus 140 Grad.

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Euphorie und Ernüchterung

Doch die anfängliche Begeisterung wich rasch der Einsicht, daß sich die spröden Kupferoxyde nur unter großem Aufwand zu langen Drähten und anderen elektrischen Bauelementen verarbeiten lassen. Diese Schwierigkeiten sind zwar inzwischen weitgehend gelöst. Die Fertigung von längeren Stromkabeln ist aber im Vergleich zur Produktion herkömmlicher Kupferkabel noch zu teuer, als daß die Vorteile der verlustfreien Stromleitung überwiegen könnten. Und noch ein anderes Hindernis erschwert eine breite Anwendung. Bei starken Magnetfeldern, wie sie in leistungsfähigen Motoren, Generatoren und Transformatoren auftreten können, bricht die Hochtemperatur-Supraleitung zusammen. Die Felder erzeugen kleine magnetische Wirbel, die sich in dem Material ausbreiten. Die Folge ist ein elektrischer Widerstand und eine damit verbundene Wärmeentwicklung. Das ist insofern unerwünscht, als daß auch ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt. Aus diesem Grund darf in einem Supraleiter die Stromstärke einen bestimmten Wert nicht überschreiten, was seine Nutzbarkeit als Stromkabel einschränkt.

Der Einfang magnetischer Wirbel

Die Idee der Forscher aus Oak Ridge war es nun, die magnetischen Wirbel in dem Supraleiter an speziell präparierten Stellen zu fixieren und damit ihre Ausbreitung zu unterbinden. Als Ausgangsmaterial verwendeten Sukill Kang und seine Kollegen den gängigen Supraleiter Yttrium-Barium-Kupferoxyd, der unterhalb von minus 200 Grad seinen Widerstand verliert. Dank einer speziellen Technik, bei der zunächst das Material in Pulverform mit einem intensiven Laserstrahl erhitzt und der Dampf gleichmäßig auf eine speziell präparierte Metallunterlage abgelagert wird, haben die Forscher einen etwa drei Mikrometer dicken und 1,5 Zentimeter langen Kupferoxydfilm hergestellt. Dem Pulver waren zuvor geringe Mengen der Keramik Bariumzirkonat, die auch noch bei tiefen Temperaturen wie ein Isolator wirkt, beigemischt worden. Bei der Laserverdampfung rissen die Kupferoxyd-Teilchen das Zirkonat mit sich, das sich in Form von nanometergroßen Partikeln in den supraleitenden Film einlagerte. Untersuchungen mit dem Elektronenmikroskop zeigten, daß sich die Partikeln in dem Oxyd bevorzugt übereinander in Form von Säulen angeordnet hatten.

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Gute Perspektiven für kalte Kabel

Daß die Nanopartikeln ihren Zweck vollends erfüllten, nämlich auftretende magnetische Wirbel festzuhalten, zeigten die anschließenden Messungen. In dem Kabel floß ein Strom von einigen hundert Ampere pro Zentimeter ohne Verluste, wenn man das Material mit flüssigem Stickstoff kühlte. Auch als man es einem starken Magnetfeld aussetzte, behielt es weitgehend seine elektrischen Eigenschaften. Wie Kang und seine Kollegen in der Zeitschrift "Science" (Bd. 311, S. 1911) berichten, ist der fixierende Effekt der Nanosäulen so stark, daß die supraleitenden Kabel industrielle Anforderungen in vielen Bereichen - von Motoren über Elektromagnete bis hin zu Stromleitungen für die Energieversorgung - ohne weiteres erfüllen könnten.

Einziger Schönheitsfehler: Derzeit ist das Kupferoxyd-Zirkonat-Kabel für technische Anwendungen noch zu kurz. Der nächste Schritt der Forscher wird deshalb die Entwicklung eines Verfahrens sein, mit dem sich meterlange Stromkabel produzieren lassen. Dann könnten sich die in die Hochtemperatur-Supraleitung gesetzten Hoffnungen endlich erfüllen.

Quelle: mli / F.A.Z., 12.04.2006
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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