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Supraleitungen: die Magie der schwebenden Gegenstände ohne äusseren Einfluss!

Es klingt wie Magie, ist aber Realität. Ein Metallkörper schwebt scheinbar schwerelose im Raum, ohne jedweden äusseren Einfluss. Dieses Bild eines Supraleiters begeistert nicht nur Science-Fiction Fans, sondern gehört mittlerweile in jeder Physikoberstufe zum Lehrplan. Die Details dahinter klingen nahezu so fantastisch wie der Vorgang selbst, den die Welt übrigens bereits am 8. April 1911 zum ersten Mal bestaunen durfte. Mit der Abkühlung von Quecksilber auf vier Grad über absolut Null (minus 269 Grad Celsius), gelang dem niederländischen Physiker und Nobelpreisträger Heike Kamerlingh Onnes die Sensation: Der elektrische Widerstand des Metalls ging auch gleich null, der Supraleiter war geboren.

Was ist ein Supraleiter und wie transportiert er den Strom?

Ein Supraleiter ist ein Material, dessen elektrischer Widerstand beim Unterschreiten einer sogenannten Sprungtemperatur gegen null geht. Damit verbunden ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Materials und der Strom durchfliesst es nahezu ungehindert. Bildlich gesprochen, kann die Stromleitung mit einer Wasserleitung verglichen werden. Partikel, die sich in der Leitung befinden, fliessen ungehindert, solange sie auf kein Hindernis wie etwa ein Sieb treffen. Dieses Sieb ist der elektrische Widerstand, der den Stromfluss einzelner Ladungsträger, der Elektronen, abbremst. Das Phänomen beschreibt in der Physik den elektrischen Widerstand im Teilchenmodell. Die physikalische Hypothese dazu ist die des Elektronengases: Elektronen verhalten sich im Metall wie ein Gas.

Warum geht der Widerstand einer Supraleitung gegen null?

Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials, die Konduktivität beziehungsweise die Fähigkeit Strom zu leiten, ist proportional zu elektrischer Feldstärke und Stromdichte. Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert zum spezifischen Widerstand und bezeichnet den ungehinderten Transport von Elektronen ohne Veränderung der Materialzusammensetzung. Dementsprechend werden elektrische Leiter eingeteilt in:

  • Nichtleiter oder Isolatoren (Nichtmetalle)
  • Halbleiter (Silizium)
  • Leiter (Metalle)
  • Supraleiter (Metalle, Fullerene)

In einem elektrischen Leiter bewegen sich Elektronen ohne das Anlegen einer äusseren elektrischen Spannung zunächst ungeordnet. Wird eine Spannung angelegt, entsteht ein elektrisches Feld. Die Elektronen wandern entlang dieser Feldlinien. Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes wird durch die Teilchenbewegung generiert, deren Schwingungen bei höheren Temperaturen zu- und bei tiefen Temperaturen abnehmen. Im ionisierten Zustand (Plasma) ist jeder Stoff und jedes Material elektrisch leitend. Umgekehrt werden Metalle oder Oxide unterhalb einer spezifischen Temperatur supraleitend und der Strom fliesst ohne Verluste.

Was ist der absolute Nullpunkt und bei welchen Temperaturen werden Materialien supraleitend?

Der absolute Nullpunkt ist ein Temperaturgrenzwert, der nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik nicht erreicht werden kann. Er ist definiert als der Ursprung der absoluten Temperaturskala und ist auf null Kelvin, das heisst minus 273,15 Grad Celsius festgelegt. Supraleitende Materialien werden grundsätzlich eingeteilt in:

  • Supraleiter
  • Hochtemperatursupraleiter

Wird bei konventionellen Supraleitungen die Sprungtemperatur nahe dem absoluten Nullpunkt, also der Siedetemperatur von flüssigem Helium bei minus 269 Grad Celsius erreicht, liegt diese Temperatur bei Hochtemperatursupraleitern weitaus höher. Hier genügt die Siedetemperatur von Stickstoff von minus 196 Grad Celsius. Alle physikalischen Systeme in der Nähe des absoluten Nullpunkts zeigen Verhaltensweisen wie Suprafluidität oder Bose-Einstein-Kondensation.

Welche Materialien eignen sich als Supraleiter?

Die Einteilung der Supraleiter in zweiunddreissig verschiedene Stoffklassen ergibt übersichtshalber vier grosse Gruppen:

  • metallische Supraleiter (Legierungen, Metalle, metallische Stoffe)
  • keramische Hochtemperatursupraleiter
  • eisenhaltige Hochtemperatursupraleiter
  • Graphen (Kohlenstoff)

Unter hohem Druck wird Schwefelwasserstoff zu einem metallischen Leiter und erreicht eine Sprungtemperatur von gerade einmal minus 70 Grad Celsius. Für eine Verbindung aus Lanthan, Sauerstoff, Strontium und Kupfer mit einer Sprungtemperatur von minus 227 Grad Celsius erhielten die Forscher Georg Bednorz und Alex Müller im Jahr 1986 den Nobelpreis.

Wie funktioniert die Supraleitung?

Eine Supraleitung funktioniert nur, wenn das stromleitende Material oder die Materie tiefgekühlt wird. Selbst Hochtemperatursupraleiter benötigen Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser, also null Grad Celsius, was technisch betrachtet immer eine Kostenfrage ist. Wird bei Supraleitern somit Helium als Kühlmittel gebraucht, ist es bei höheren Temperaturen möglich, auf das kostengünstigere Stickstoff zurückzugreifen. Die niedrigste Sprungtemperatur besitzt Lanthan-Decahydrid, nämlich minus 23 Grad Celsius bei einem Druck von 170 Gigapascal. Darauf folgt Schwefelwasserstoff mit minus 70 Grad Celsius bei einem extrem hohen Druck von 300 Gigapascal.

Welche technischen Anwendungsmöglichkeiten gibt es für die Supraleitfähigkeit?

Da Supraleitungen entweder bei extrem niedrigen Temperaturen oder nur unter Verwendung sehr hoher Drücke reibungslos arbeiten, ist eine Verwendung bei Raumtemperatur in der Technik bis dato ausgeschlossen. Da im supraleitenden Zustand die elektrischen und magnetischen Felder innerhalb der Materie nach aussen verschoben werden und das Material somit ein äusseres Magnetfeld aufbaut, eignen sich Supraleitungen insbesondere für:

  • supraleitende Magnetspulen in der Forschung (Teilchenbeschleuniger, Fusionsreaktoren)
  • medizinische Diagnostik (Kernspintomografie)
  • Transportmittel (Magnetschwebebahnen)

Was sind die neuesten Innovationen in puncto Supraleitung?

Strom und Energie nahezu verlustfrei und widerstandslos in Hochspannungskabeln zu den Verbrauchern zu transportieren – das ist laut neuen Forschungsergebnissen des Instituts für Festkörperphysik in Karlsruhe in Zusammenarbeit mit anderen renommierten Forschungsinstituten mitunter keine Zukunftsmusik mehr. Mit einem sogenannten Hochtemperatursupraleiter, der zu den Cupraten (kupferhaltige Anionen) zählt, konnte die Ladungsdichtewelle der Supraleitung näher untersucht werden. Ziel ist es, Supraleitungen auch bei Raumtemperaturen durchzuführen. Des Weiteren zählen Supraleitungen zu den vielversprechendsten Kandidaten für Quantencomputer.