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Elektronenpaare, die sich in einer supraleitenden Grenzschicht zu einer Wolke verbundenen haben.
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Elektronenpaare, die sich in einer supraleitenden Grenzschicht zu einer Wolke verbundenen haben.

Technik

Supraleiter warten auf ihren großen Auftritt

Vor 100 Jahren entdeckte der Niederländer Heike Kamerlingh Onnes einen erstaunlichen Effekt: Der elektrische Widerstand verschwindet in supraleitenden Materialien - allerdings nur bei Frost. Noch heute wird über das Phänomen gerätselt.

Von Christian Meier

Universität Leiden im April 1911: Der Physiker Heike Kamerlingh Onnes lässt seine drei Mitarbeiter mehrmals nachmessen, denn er ist überzeugt, dass es sich um einen Messfehler handeln muss. Aber es ist keiner. Alle elektrischen Kontakte sitzen richtig und die Apparatur gaukelt keine irrealen Messergebnisse vor. Schließlich, am 8. April, notiert er: „Quecksilber praktisch Null.“ Die Notiz markiert den Anfang eines der größten Rätsel der Physik.

Vor hundert Jahren waren Kamerlingh Onnes und seine Kollegen weltweit die einzigen Menschen, die Helium so weit abkühlen konnten, dass es flüssig wurde. Das öffnete ihnen eine Spielwiese für damals einzigartige Experimente bei nur ein paar Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt (minus 273 Grad Celsius). Im April 1911 untersuchten sie das Sinken des elektrischen Widerstandes von hochreinem Quecksilber mit der Temperatur.

Diese Frage, was mit dem Widerstand in der Nähe des absoluten Temperaturnullpunktes passiert, interessierte theoretische Physiker brennend. Einige dachten, der Widerstand falle bis zu einem bestimmten Wert und bleibe dann bis zum Temperaturnullpunkt konstant; andere dachten, er verschwinde bei dessen Erreichen ganz. Onnes Experiment zeigte, dass beide Parteien sich irrten. Schon etwa vier Grad über dem absoluten Nullpunkt fiel der Widerstand abrupt auf null. Sie hatten ein neues, mysteriöses Phänomen entdeckt: die Supraleitung.

Die Konsequenzen für die Technik konnten enorm sein, wie Kamerlingh Onnes schnell erkannte. Denn ein Abkühlen auf ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt war technisch möglich, also ließen sich Stromkabel aus supraleitendem Material soweit kühlen, dass sie Strom verlustfrei leiten.

In der Folgezeit entdeckten die Niederländer weitere Materialien, die bei extremer Abkühlung supraleitend wurden, etwa Blei oder Zinn. Kamerlingh Onnes baute ein supraleitendes Bleikabel und setzte einen Stromfluss darin in Gang. Ein Jahr später floss der Strom immer noch, ohne messbare Abschwächung. Solche Phänomene kamen Wissenschaftlern des frühen 20. Jahrhunderts wie Zauberei vor. Selbst damalige Physikstars wie Albert Einstein oder Werner Heisenberg scheiterten daran, die Supraleitung zu erklären. Das gelang erst 1957 den drei US-amerikanischen Physikern John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer. Nach ihrer sogenannten BCS-Theorie verbinden sich die Elektronen in Supraleitern bei Unterschreiten einer kritischen Temperatur zu Paaren, sogenannten Cooper-Paaren. Sie ziehen sich auf ähnliche Weise an wie zwei Personen in einem Wasserbett. Die eine verursacht eine Kuhle im Bett in die die andere hineinrutscht. Analog dazu verzerrt ein Elektron durch seine negative Ladung das positiv geladene Kristallgitter des Supraleiters. Das zweite Elektron wird von dieser Deformation angezogen und das Cooper-Paar entsteht.

Supraleitende Magnete zwingen Teilchen in eine Kreisbahn

Die Elektronenpaare haben die Fähigkeit, sich mit allen anderen Cooper-Paaren im Supraleiter zu einer Art Superelektron zu verbinden. Dieses erstreckt sich über den gesamten Supraleiter. Ein einzelnes Elektron kann nicht aus dem Kollektiv ausbrechen ? es verliert seine Individualität. Es befindet sich nicht mehr an einem bestimmten Ort und kann daher auch nicht an einer bestimmten Stelle des Supraleiters mit einer Unregelmäßigkeit im Kristallgitters zusammenzustoßen. Solche Stöße sind die Ursache elektrischen Widerstandes – ohne sie erfolgt der Stromtransport verlustfrei.

Dieser einzigartige Vorteil wird heute technisch genutzt. Vor allem zum Erzeugen von besonders starken und stabilen Magnetfeldern mit Hilfe von supraleitenden Spulen. Herkömmliche Spulen erzeugen durch ihren elektrischen Widerstand Abwärme und verlieren so Energie. Durch die supraleitende Spule hingegen fließt ein einmal angestoßener Strom monatelang.

Ihren breitesten Einsatz finden supraleitende Magnete in der Medizin, besonders in der Magnetresonanztomographie. Aber auch in vielen Forschungslabors erzeugen sie starke Magnetfelder. Zum Beispiel zwingen sie im weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC am europäischen Kernforschungszentrum Cern bei Genf Protonen auf ihre Kreisbahn.

Ansonsten spielen Supraleiter im Alltag jedoch kaum eine Rolle. Dies, so betonen Froscher oft, würde sich radikal ändern, wenn es Materialien gäbe, der bei Raumtemperatur supraleitend sind. Der Aufwand durch das Kühlen durch Flüssighelium fiele dann weg. Stromleitungen könnten Solarstrom verlustfrei von der Sahara nach Europa bringen, sparsame Magnetschwebebahnen könnten den Zugverkehr ersetzen, Generatoren ließen sich leichter und kleiner bauen. Bis in die 80-er Jahre waren Raumtemperatur-Supraleiter undenkbar. Die höchste Temperatur, bei der ein Material noch supraleitend war, lag bei etwa minus 250 Grad. Doch 1987 entdeckten die Physiker Karl Müller und Johannes Bednorz eine Substanz, die bei einer deutlich höheren Temperatur noch supraleitend war.

Die darauf folgende Suche nach ähnlichen Materialien führte zur Entdeckung einer neuen Klasse von Supraleitern: die sogenannten Kuprate, Kupferoxid enthaltende Keramiken. Supraleiter aus Kupraten heißen Hochtemperatur-Supraleiter, weil einige von ihnen hinauf bis etwa minus 150 Grad Celsius supraleitend sind.

Sie verwirklichten die Vision Kamerlingh Onnes von einer supraleitenden Stromversorgung zumindest teilweise. Denn sie werden durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff supraleitend, der wesentlich günstiger herzustellen ist als Flüssighelium. Weil manche zentrale Stromleitungen von Metropolen überlastet sind und weil Wegerechte für neue Leitungen teuer sind, wollen die Energieversorger durch die vorhandenen unterirdischen Leitungen mehr Strom pressen. Dazu verwenden sie supraleitende Kabel aus bestimmten Kupraten, die bei gleichem Querschnitt bis zu fünfmal so viel Strom leiten wie herkömmliche Kabel. Doch die Kabel sind aufwendig herzustellen und müssen gekühlt werden. Das lohnt sich nur in wenigen besonders belasteten Stromtrassen. In Kopenhagen ist das getestet worden. In Amsterdam soll eines installiert werden.

Raumtemperatur-Supraleiter wären solchen Einschränkungen nicht unterworfen. Doch seit Jahren stagniert die höchste Sprungtemperatur bei etwa minus 130 Grad Celsius. Das liegt daran, dass die Supraleitung bei den Hochtemperatur-Supraleitern anders funktioniert wie bei den herkömmlichen Supraleitern. Das Problem dabei: die Wissenschaftler wissen nicht wie.

Von Kupraten und Pniktiden

Zwar bilden sich auch in den Kupraten Cooper-Paare, aber sie werden nicht allein durch Verzerrungen des Kristallgitters zusammengehalten. Wodurch noch, darüber rätseln Physiker bis heute. Entscheidende Erkenntnisse erhoffen sich Forscher von einer vor drei Jahren entdeckten zweiten Klasse von Hochtemperatursupraleitern, den sogenannten Pniktiden. Sie haben einen ähnlichen Aufbau wie die Kuprate, enthalten jedoch statt Kupfer und Sauerstoff meist Eisen und Arsen.

„Diese neue Familie von Hochtemperatur-Supraleitern könnte neue Möglichkeiten bieten, Supraleiter herzustellen, die bei praktikablen Temperaturen operieren“, schwärmte nach der Entdeckung dieser Materialien Eric Hand, Redakteur beim Wissenschafts-Magazin Nature. Mancher Forscher bleibt indessen skeptisch. „Auch wenn eines Tages ein Raumtemperatur-Supraleiter entdeckt wird, heißt das noch lange nicht, dass er praxistauglich sein wird“, sagt Robert Cubitt vom Institut Laue-Langevin in Grenoble. Denn durch den Supraleiter fließender Strom kann die Supraleitung zerstören. Er setzt im Supraleiter dünne Magnetfeld-Schläuche in Bewegung, was elektrischen Widerstand verursacht.

„Der Heilige Gral der Supraleitung ist es nicht nur, ein Material zu entdecken, das bei Raumtemperatur supraleitend wird, sondern eines, bei dem die Magnetfeld-Schläuche festgehalten werden können, sodass ein großer Strom fließen kann“, erläutert Cubitt. Dies gelingt zwar bei tiefen Temperaturen, aber ein Experiment, das Cubitt durchführte legt nahe, dass es bei Raumtemperatur zumindest schwerer sein wird. Hundert Jahre nach ihrer Entdeckung wartet die Supraleitung immer noch auf ihren Durchbruch in den Alltag.

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