Technologie

Forscher erzielen Durchbruch bei Supraleitern

Lesezeit: 3 min
01.07.2014 00:23
Nach 30 Jahren Forschung wollen Wissenschaftler der Cambridge Universität einen Durchbruch bei Supraleitern gemacht haben. Dabei soll es um denUrsprung der verlustfreien Leitfähigkeit gehen. Damit könnte die Tür weit aufgestoßen werden für entscheidende zukünftige Projekte. Verlustfreie Stromnetzwerke, Supercomputer der nächsten Generation und Magnetschwebebahnen würden alle damit realistischer.

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Jahrzehntelang haben Forscher sich Gedanken gemacht, wie die Supraleitung entsteht. Jetzt wollen Wissenschaftler der University of Cambridge eine Entdeckung gemacht haben. Konkret seien Wellen in Elektronen gefunden worden. Diese Wellen sollen besonders dicht geladen sein und erschaffen dadurch eine Art verdrehter Tasche im Leitungsmaterial. Und genau in dieser Tasche entstehe die Supraleitung.

Supraleiter bestehen aus Material, dessen elektrischer Widerstand sich auflöst. Grundvoraussetzung dafür ist eine extreme Kälte. Es gibt diverse Substanzen, die als Supraleiter dienen können, wobei jeder eine unterschiedliche Sprungtemperatur aufweist. Dabei handelt es sich um die Temperatur, die den elektrischen Widerstand auf Null abfallen lässt. Gerechnet wird bei dieser Kälte üblicherweise in Kelvin (K). 0 K sind als -273,15 °C definiert.

Nun gibt es metallische Supraleiter wie Wolfram, das bei 0,012 K oder -273,139 °C seinen elektrischen Widerstand verliert. Aluminium gelingt dies bereits bei 1,14 K oder -272,01 °C. Dennoch ist dieser Kühlprozess natürlich extrem aufwendig und energieintensiv. Inzwischen wurden eisenhaltige Verbindungen entwickelt, die als Hochtemperatursupraleiter verwendbar sind. Die Bezeichnung „Hochtemperatur“ wirkt dabei allerdings etwas beschönigend: Selbst diese Supraleiter benötigen Temperaturen von -247 bis -218 °C damit sie funktionieren. Teilweise reichen sogar Kühlungen auf -135 °C aus. Trotzdem, unter hoher Temperatur verstehen die meisten Menschen sicher etwas anderes.

Während der elektrische Widerstand bei Supraleitern verschwindet, bieten sich neue Möglichkeiten für magnetische Energiespeicher. Hierbei kann in Spulen von derartigen Leitern Energie konserviert werden. Auf diese Energie kann dann wiederum extrem schnell zugegriffen werden. Nicht nur für Stromnetze, die unter schwankenden Lasten leiden, ist diese Umsetzung nützlich. Es können auch Energiepulse damit abgegeben werden. Ob die Entdeckung allerdings auch zeitnah als handliche Waffe umgesetzt werden kann, wird besonders die Hersteller von Elektroschockern interessieren.

Im Labor der Cambridge Universität wurden jetzt offenbar die neuen Taschen aus Elektronen entdeckt. Die Ergenisse publizierten die Forscher im Fachmagazin Nature. Die Struktur der Taschen haben die Wissenschaftler näher unter die Lupe genommen und diverse Gitter bzw. Netze ausmachen können. Ein Supraleiter besteht demnach aus zahlreichen Schichten dieser Gitter. Das sollen laut der Versuchsreihe die Hochtemperatursupraleiter aus Kupferoxid ergeben haben. Wird die Sprungtemperatur erreicht, verschiebt sich eines oder mehrere dieser Netze und es entsteht ein Supergitter. Dieses ignoriert dabei sämtliche Symmetrien der anderen Gitter. Vielmehr kann nur auf diese Weise die genannte Tasche entstehen.

Ohne diese Tasche würde es keine Supraleiter geben. Denn nur dank dieser Verschiebung im Inneren des Materials auf Elektronenebene, kann die verlustfreie Leitung existieren. Wer also zukünftig erfolgreich Projekte mit Supraleitern planen will, muss insbesondere die Elektronen genauer untersuchen. Hier scheint zumindest aktuell die Lösung zu liegen. Unter Umständen sind dann sogar Hochtemperatursupraleiter konstruierbar, die ihrem Namen alle Ehre machen und deutlich näher am Gefrierpunkt liegen.

Cui bono? Die Frage soll auch noch erlaubt sein. Denn wer profitiert besonders von dieser neuen Entdeckung? Natürlich ist die Idee für ein verlustfreies Stromnetz ein schöner Gedanke. Fraglich ist allerdings, ob niedrigere Strompreise für Endverbraucher wirklich das erste Projekt sein wird, das damit umgesetzt werden darf. Die neuen Supercomputer, die noch schneller rechnen und noch weniger Strom verbrauchen und weniger Wärme erzeugen, sind ebenfalls nicht für den Alltag gedacht.

Lediglich die Magnetschwebebahnen könnten durch mehr Wissen im Bereich Supraleiter einen neuen Impuls bekommen. Schnellere und günstigere Fortbewegung für die Bevölkerung wäre auch ein schöner Slogan für das nächste Wahlplakat. Ganz zu schweigen von der ausbleibenden Umweltverschmutzung, wenn die Bahn per Magnet befördert wird. Voraussetzung ist dafür natürlich, dass die Herstellung und Instandhaltung ebenfalls günstig und umweltschonend ist. Doch was nützt all das Wissen – oft scheitert es bereits an der Umsetzung. Der neue Berliner Flughafen hat gezeigt, dass selbst alte Technologie möglichst teuer für den Steuerzahler sein kann, wenn nur die passenden Leute verantwortlich sind.

Wohin geht also die Reise auf dem Superconductor? Vermutlich haben einige Spieler auf dem Weltmarkt den volleren Geldbeutel, um die neue Technologie testen und nutzen zu können. Während die Militärausgaben bei den selbsternannten Friedensbringern weltweit konstant wachsen, scheint der Fahrplan eindeutig: Bevor die Bevölkerung in den Genuss der Quantenmechanik kommen darf, wird dieser wohl zuerst für sogenannte strategische Einsätze genutzt.

Die Suche nach besseren Supraleitern geht demzufolge weiter. Auch wenn die Forschung eher sprunghaft Erfolge verzeichnet – seit ihrer Entdeckung Mitte der 1980er Jahre werden immer wieder zufällig Hochtemperatursupraleiter entdeckt. Selbst wenn diese ihre Geheimnisse nur schwer preisgeben. Glaubt man den Wissenschaftlern, so haben sie einen großen Schritt getan, um dem Ursprung der Superconductor auf die Spur zu kommen. „Wird dieses Wissen jetzt verwendet, um anderes Material mit ähnlichen Eigenschaften zu identifizieren, werden hoffentlich neue Supraleiter aufgespürt, die bei höheren Temperaturen funktionieren, vielleicht sogar bei Zimmertemperatur.“ sagt Dr. Suchitra E. Sebastian von der Cambridge University.

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