Physik eiskalt serviert

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Modelllok, die dank Supraleitern magnetisch in der Schwebe gehalten wird. (Quelle: IFW Dresden)

Seit der Holländer Heike Kamerlingh Onnes 1911 entdeckt hatte, dass Quecksilber bei 4 Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius ("Null Kelvin") jeglichen elektrischen Widerstand verliert, waren Wissenschaftler auf der Suche nach Materialien, die dieses vorteilhafte Phänomen auch bei höheren Temperaturen zeigen - denn elektrischer Widerstand verursacht Verluste bei der Übertragung elektrischer Energie. Der nur schleichende Fortschritt bei der Steigerung der kritischen Temperatur, unterhalb derer der Widerstand verschwindet, erfuhr 1986 unerwartet einen Sprung, als der Schweizer K. Alexander Müller und der Deutsche J. Georg Bednorz nach jahrelanger Forschung ein Metalloxid fanden, das auch bei 30 Kelvin - etwa minus 243 Grad Celsius - noch verlustfrei leitete.

Der - mit dem Nobelpreis gewürdigte - konzeptuelle Durchbruch führte zur Entwicklung der so genannten Hochtemperatur-Supraleiter, deren Betriebstemperatur über dem Siedepunkt des flüssigen Stickstoffs, bei minus 196 Grad Celsius, liegt. Uneingeweihte müssen das immer noch als tödliche Kälte empfinden - aber Stickstoff, das war es: Wenn Supraleiter mit billigem Stickstoff gekühlt werden konnten, sollten sich, im Vergleich zur bis dahin notwendigen Helium-Kühlung, die Kühlkosten um den Faktor 100 reduzieren lassen. Der Weltrekord für die höchste kritische Temperatur liegt zur Zeit (2002 ,Am.d.Red.) bei minus 138 Grad Celsius (135 Kelvin).

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Supraleitende Strombegrenzer können potentiell verheerende Stoßströme niedrig halten, wie sie etwa bei Kurzschlüssen auftreten. (Quelle: Siemens)

In einem Supraleiter schließen sich Elektronen zu einem großen Clan, einem makroskopischen Quantenzustand zusammen. Ein supraleitendes Material verhält sich wie ein "Riesenatom": Etwa wie die Elektronen in einem einzelnen Atom verlustfrei auf stabilen Bahnen laufen, so bewegen sie sich in Supraleitern ungestört auch über weite Entfernungen. Für normale Supraleiter ist dieses Phänomen weitgehend verstanden, doch der genaue Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung ist bislang ungeklärt.

Die kritische Temperatur ist nicht die einzige Eigenschaft, die einen Supraleiter praxistauglich macht. Die Verarbeitbarkeit ist eine zweite, und da haben die neuen Supraleiter einen Nachteil: sie sind spröde. Kabel aus Hochtemperatur-Supraleitern werden unter hohem Aufwand produziert und sind daher sehr teuer. Dennoch kann ihr Einsatz lukrativ sein, wenn etwa in einem Ballungsgebiet die Kapazität einer vorhandenen konventionellen Kabeltrasse ohne große Baumaßnahmen vergrößert werden soll. Supraleitende Kabel könnten ein Vielfaches an Energie transportieren. Das praktische Potential solcher Kabel wird derzeit an mehreren Stellen der Welt getestet. Im Übrigen lassen sich mit Stromspulen aus Supraleitern besonders starke Magnetfelder erzeugen. Solche Spulen kommen unter anderem in Kernspin-Tomographen zum Einsatz, die in der Medizin zur schonenden Untersuchung innerer Organe benutzt werden.

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Sicherheitskontrolle vor Ort: SQUIDs (Supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren) werden unter anderem zur Materialprüfung eingesetzt. Mit ihnen lassen sich verborgene Risse in der Außenhaut von Flugzeugen aufspüren. (Quelle: FZ Jülich)
 

Bestimmte Supraleiter können sich an Magnetfeldern "festhalten" und somit ihre Lage im Raum fixieren. Innerhalb eines ungleichmäßigen Magnetfeldes versucht ein solcher Supraleiter seine Position zu halten - er kann sogar in der Schwebe bleiben. Dank dieses Phänomens lassen sich reibungsfreie Transportsysteme und magnetische Lager konstruieren, die nicht geregelt werden müssen. Derzeit wird hierfür eine keramische Verbindung aus Yttrium, Barium und Kupferoxid favorisiert.

Mit den neuen Supraleitern lassen sich auch winzige Mikrowellen-Schaltkreise für die Empfangs- oder Sendestufen von Satelliten- und Mobilfunksystemen herstellen. Schließlich sind mit Supraleitern auch SQUIDs (engl. superconducting quantum interference devices) möglich geworden - hochempfindliche Sensoren, die noch ein Milliardstel der Stärke des Erdmagnetfeldes nachweisen können. In der mit Erdmagnetphänomenen befassten Geophysik ist der Einsatz von SQUIDs mittlerweile Routine. SQUIDs sind tatsächlich so empfindlich, dass sich mit ihnen Magnetogramme einzelner Organe, etwa des Gehirns, aufzeichnen lassen.