Eiskalter Draht
US-Wissenschaftler haben nach eigenen Angaben Drähte aus Hochtemperatur-Supraleitern gefertigt, die sehr viel mehr Strom transportieren können als bisher.
Amit Goyal und Kollegen haben nach eigenen Angaben Drähte aus Hochtemperatur-Supraleitern gefertigt, die sehr viel mehr Strom transportieren können als bisher. Technische Einzelheiten beschreiben die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science (High-Performance High-Tc Superconducting Wires). Mit ihren Drähten sehen die Wissenschafter gar "das Potenzial, die Elektrizitätsindustrie zu revolutionieren", wie sie schreiben.
Bereits 1911 machte der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes eine verblüffende Entdeckung: Er stellte zu seiner eigenen Überraschung fest, dass Quecksilber schlagartig seinen elektrischen Widerstand verliert, wenn es unter –269 °C gekühlt wird. Zunächst glaubte der Wissenschaftler an einen Messfehler. Das Phänomen erwies sich jedoch als reproduzierbar – aber ziemlich lange als theorieresistent. Und auch die Hoffnungen der Tüftler und Visinäre von verlustfreien Kabeln, gigantischen Motoren und unerschöpflichen Energiespeichern sollten sich lange als technisch undurchführbar erweisen, denn Supraleitung funktioniert nur bei sehr tiefen Temperaturen und nicht zu hohen Magnetfeldern – ein Kriterium, das besonders in Elektromotoren gerne gebrochen wird.
Als die Physiker Alexander Müller und Georg Bednorz 1986 am Schweizer IBM-Forschungslabor in Rüschlikon entdeckten, dass bestimmte Kupferoxide bei einer Temperatur von 35 Kelvin (–238 °C) ihren elektrischen Widerstand aufgeben, lösten sie damit einen zweiten großen Supraleiter-Boom aus. Im Frühjahr 1987 entdeckten ihre Kollegen dann eine ähnliche Verbindung – Yttrium-Barium-Kupferoxid – die bei Temperaturen unterhalb von 93 Kelvin (–180 °C) supraleitend wurde. Erstmals hatten die Physiker damit ein Material gefunden, das bereits bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff supraleitend wird.
Doch nach ersten Erfolgen blieben weitere aus. Bis heute gibt es lediglich eine allgemein gültige Theorie für die Supraleitung normaler Supraleiter: 1957 präsentierte das US-Forschertrio John Bardeen, Leon Cooper und J. Robert Schrieffer mit der BCS-Theorie ein Erklärungsmodell, das heute weitgehend akzeptiert wird: Elektronen in Supraleitern verbinden sich demnach zu Paaren. Diese Elektronenpaare verhalten sich wie Bosonen, das heißt Teilchen mit einem ganzzahligen Spin, die nicht wie Elektronen dem Pauli-Verbot unterliegen. Sie dürfen daher denselben Energiezustand mehrfach besetzen. Jeder Versuch, den Zustand eines Paares per Stoß zu verändern, gelingt nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit, sodass keine Energie an das Gitter abgegeben wird.
Doch das erklärt nicht das Verhalten von Hochtemperatur-Supraleiter – und es liefert kein Kochrezept für weitere erfolgreiche Verbindungen dieser Art. Auch die technische Anwendung der "heißen Supraleiter" ist durch die schwierige Verarbeitung immer wieder verzögert worden. So können die spröden Oxocuprate beispielsweise nicht einfach zu Drähten gezogen werden. Den entscheidenden Trick schauten sich die Forscher von der Glasfaser ab. Bei den Supraleitern betten die Ingenieure feinste Filamente einer wismuthaltigen Keramik in einen Flachdraht aus Metall ein. Mit diesen Drähten lässt sich ein Stromfluss von 100 Ampere pro Quadratmillimeter (das entspräche 10.000 Ampere pro Quasratzentimeter) Querschnitt realisieren – ein gleich dickes Kupferkabel bringt es auf gerade drei Ampere.
Für viele industrielle oder militärische Anwendungen reicht das allerdings nicht aus. Goyal und Kollegen optimierten daher systematisch die Parameter des Herstellungsverfahrens (Pulsed Laser Deposition), bis sie sechs Mikrometer dicke Supraleiterschichten auf ein vorsturkturiertes Substrat aufbringen konnten. Sorgfältig in den Film eingebrachte Störstellen aus Nanopartikeln ermöglichten ihnen, auch die kritische Magnetfeldstärke hochzuschrauben. Bei 65 Kelvin – eine Temperatur, die sich mit vielen auf dem Markt befindlichen Kryostaten gut halten lässt – und einem Magnetfeld von drei Tesla maßen die Wissenschaftler eine kritische Stromdichte von 46.000 Ampere pro Quadratzentimeter. Bislang können sie allerdings nur kurze 1,5 Zentimeter messende Supraleiterstücke herstellen, und das Produktionsverfahren ist vergleichsweise aufwändig. Bis diese supraleitenden Drähte der dritten Generation auf den Markt kommen, dürften daher noch einige Jahre vergehen. (wst)
