Widerstand zwecklos

Inhaltsverzeichnis

Vor 100 Jahren entdeckte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes die Supraleitung. Heute hilft sie, Patienten zu durchleuchten und Teilchen zu beschleunigen. Und in Zukunft könnte der Effekt hocheffiziente, verlustfreie Kabel und Generatoren ermöglichen.

In Hamburg entsteht derzeit ein Tunnelfächer, der es in seiner Größenordnung mit dem Elbtunnel aufnehmen kann. Auf einer Länge von sechs Kilometern zwischen dem Stadtteil Bahrenfeld und Schenefeld im Westen Hamburgs wird er in naher Zukunft das wissenschaftliche Megaprojekt "European XFEL" beherbergen, den größten Röntgenlaser der Welt. Im Tunnel wollen ab 2015 Europas Forscher ihre Materialproben mit ultrastarken Röntgenblitzen untersuchen. Sein Licht wird der Riesenlaser mithilfe einer besonderen Technologie erzeugen: der Supraleitung.

Das Phänomen, bei dem ein Material unter starker Kühlung seinen elektrischen Widerstand komplett verliert und den Strom verlustfrei leitet, ist den meisten nur durch Schwebebahnen bekannt. Der japanische MLX01 etwa schwebte auf supraleitenden Magneten buchstäblich reibungslos dahin und erreichte dadurch mit vergleichbar wenig Energieeinsatz eine enorme Geschwindigkeit. Doch bis heute gibt die Supraleitung den Physikern Rätsel auf. Obwohl sie in den 100 Jahren seit ihrer Entdeckung große technische Bedeutung erlangt hat und vier Nobelpreise an Forscher vergeben wurden, die sich mit ihr beschäftigten, hat sie bis heute niemand in Gänze zu erklären vermocht. Was Wissenschaftler wie Ingenieure jedoch nicht davon abhält, supraleitenden Materialien eine große Zukunft vorauszusagen.

Entdeckt wurde das Phänomen im Frühjahr 1911 in den Niederlanden, in einem Labor der Universität Leiden. Dort hatte der Physiker Heike Kamerlingh Onnes eine Kältekammer für Materialien installiert. Drei Jahre zuvor war ihm Bahnbrechendes gelungen: Onnes hatte erstmals Heliumgas verflüssigen und dadurch einen neuen Kälterekord erzielen können – minus 272 Grad Celsius, nur ein Kelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt. 1911 wollte er herausfinden, wie gut Quecksilber bei derart tiefen Temperaturen Strom leitet. Würde, wie der berühmte Lord Kelvin behauptete, der Widerstand riesig, weil die Elektronen einfrieren und keinen Strom mehr leiten könnten? Langsam senkte Onnes die Temperatur und maß dabei regelmäßig den Widerstand. Dann – bei 4,19 Kelvin, minus 269 Grad Cel- sius – die Überraschung: Von einem Augenblick zum anderen verschwand der Widerstand.

Bald zeigten auch andere Metalle das rätselhafte Verhalten, jedes mit einer eigenen Sprungtemperatur, unter der die elektrische Leitfähigkeit abrupt ansteigt. Onnes bezeichnete das Phänomen als Supraleitung und erhielt für seine Entdeckung 1913 den Nobelpreis für Physik.

Jahrzehntelang galt die Supraleitung als exotisches Phänomen – faszinierend, aber nutzlos. "Eine große Rolle wird sie für die Technik wohl nie spielen", meinte noch 1947 der deutsche Physik-Nobelpreisträger Max von Laue. Die Herstellung extrem tiefer Temperaturen sei zu aufwendig, außerdem würden jene Magnetfelder, die bei der Stromleitung zwangsläufig auftreten, die Supraleitung zerstören.

Doch von Laue lag falsch. Mit den Jahren entwickelten die Fachleute zuverlässige Kühlsysteme und fanden Metalle, deren Supraleitung selbst in stärksten Magnetfeldern nicht zusammenbricht. Später fand man heraus, dass auch bestimmte Keramiken verlustfrei Strom leiten können – sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter.

Diese Materialien haben mittlerweile in die Industrie Einzug gehalten, die konkreten Anwendungen und Einsatzgebiete sind Legion. Dabei verstehen selbst Experten im Grunde nicht, warum die Keramiken überhaupt Strom leiten. "Ein ungelöstes Problem der Physik", meint Rudi Hackl, Physiker am Walther-Meissner-Institut in Garching.

Dabei wären viele wissenschaftliche Megaprojekte ohne die widerstandslose Stromleitung gar nicht denkbar. Der gigantische Röntgenlaser XFEL setzt genauso auf mächtige Supraleiter-Magneten wie der Teilchenbeschleuniger LHC in Genf. Nur mit Supraleitung lassen sich die schnellen Protonen auf ihrer Kreisbahn halten. Supraleitend werden auch die Magnetspulen des Fusionsreaktors Iter sein, der zurzeit in Südfrankreich gebaut wird und zeigen soll, ob die Kernfusion als Energiequelle taugt.

Sebastian Aderhold, Physiker am Hamburger Forschungszentrum Desy, an das die XFEL-Tunnel dereinst angeschlossen werden, zeigt auf eine seltsam geformte, meterlange Röhre aus schwach schimmerndem Niob: "Ein Resonator", erklärt er, "er besteht aus neun Rippen und ähnelt einem Baumkuchen." Solche Resonatoren dienen dazu, Elektronen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, damit sie kurze, intensive Röntgenblitze zum Durchleuchten von Materialproben abfeuern können. Der Vorteil: "Supraleitende Resonatoren können Elektronen mit weniger Verlusten beschleunigen, sind also deutlich energieeffizienter", sagt Aderhold.

Kritisch wird es aber bei der Kühlung. Die Resonatoren müssen in lange, meterdicke Stahlröhren verpackt werden, Kryostaten genannt. Es sind Hightech-Thermoskannen, die neben der aufwendigen Wärmeisolierung ein komplexes System aus Röhren, Schläuchen und Kabeln besitzen, durch das flüssiges Helium strömt. Nur so lässt sich das Innere auf minus 270 Grad Celsius halten. Auch in den Klinikalltag haben es die metallischen Supraleiter geschafft. Sie bilden die Basis für Magnetresonanz-tomografen (MRT oder "Kernspin"-Tomograf genannt). Das Prinzip: Ein starker supraleitender Magnet richtet die Wasserstoff-Atomkerne im Körper aus. Radiowellen stupsen die Kerne an und bringen sie zum Torkeln. Beim Zurückschwingen senden die Atomkerne Signale aus, die von Antennen registriert und vom Computer dann in Diagnostikbilder umgesetzt werden. Anders als beim Röntgen können mit MRT-Geräten auch weiche Gewebe dargestellt werden: Gehirn und Rückenmark, Herz und Nieren, Bänder und Gelenkknorpel.

Walter Märzendorfer, der beim Weltmarktführer Siemens Health Care den Bereich Magnetresonanz leitet, steht im Siemens-Entwicklungslabor in Erlangen vor seinem Versuchs-MRT und demonstriert, welche Kräfte darin wirken. "90 Kilometer supraleitender Draht stecken in dem Gerät, präzise aufgewickelt zu einer mächtigen Spule." Mit einer Metallkette in der Hand, an deren Ende ein Schraubenschlüssel befestigt ist, nähert er sich dem Gerät. Die Kette strafft sich, als würde ein wütender Bullterrier daran zerren. In Wirklichkeit zieht das Magnetfeld den Schraubenschlüssel in die Röhre.

Allerdings macht die Kühlung mit flüssigem Helium die Technik teuer. Einfacher und billiger wäre ein nicht-metallischer Supraleiter, den man nur noch mit Stickstoff zu kühlen bräuchte. Dafür sind Materialien nötig, die bereits bei 100 Kelvin supraleitend werden.