Supraleiter

100 Jahre Supraleitung

25 Jahre Hochtemperatursupraleitung

Supraleitertechnologie gehört immer noch zu den „neuen“ Technologien – und das 100 Jahre nach der ersten Entdeckung des sogenannten „Supraleitereffekts“. Und was sind denn eigentlich Supraleiter? Supraleiter leiten Strom verlustfrei, weil sie keinen elektrischen Widerstand haben. Außerdem können Supraleiter bis zu mehrere hundert Mal mehr Strom als konventionelle Kupferleiter transportieren.

Die Entdeckung des Supraleitereffekts

Der „Vater“ der Supraleitung

Der Physiker Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) beschäftigte sich vor allem mit der Verflüssigung von Gasen. 1908 verflüssigte er als Erster Helium bei einer Temperatur von 4 K, also -269 °C hat. 1911 stellte er bei seinen Versuchen mit flüssigem Helium fest, dass Quecksilber bei 4 K schlagartig seinen elektrischen Widerstand verliert – der Supraleitereffekt war entdeckt. Die Temperatur, bei der Materialien supraleitende Eigenschaften entwickeln, heißt Sprungtemperatur. 1913 erhielt Kamerlingh Onnes den Physik-Nobelpreis „für seine Untersuchungen der Eigenschaften von Materie bei tiefen Temperaturen“.

Tieftemperatursupraleiter

Die ersten Anwendungen

Tieftemperatursupraleiter sind metallische Materialien, die zwischen dem absoluten Nullpunkt und 23 K (-250 °C) supraleitende Eigenschaften entwickeln. Da die Kühlung sehr aufwändig ist, kommen sie nur in der Forschung wie beispielweise im CERN oder in Analysegeräten wie Kernspinresonanz-Spektroskopen und seit den 70er Jahren der Medizintechnik bei der Magnetresonanz-Tomographen zum Einsatz.

Hochtemperatursupraleiter

Der Weg in die industrielle Anwendung

1986 entdeckten die Physiker Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller, dass Lanthan-Barium-Kupferoxid bereits bei einer Sprungtemperatur von 35 K (-238 °C) supraleitend wird. Für diese Entdeckung wurden sie 1987 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. 1987 wurden mit Yttrium-Barium-Kupferoxid und Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid Substanzen entdeckt, die mit Sprungtemperaturen von 93 K bzw. 110 K, problemlos mit Flüssigstickstoff unter ihre Sprungtemperatur gekühlt werden können. Durch diese wesentlich einfachere Kühlung wurde der Weg für die industrielle Nutzung der Supraleiter frei.

Die Produktionsverfahren

Bei allen Hochtemperatursupraleitern handelt es sich um keramische Materialien, die sehr spröde sind. So mussten erst Produktionsverfahren entwickelt wurden, um sie zu Draht zu verarbeiten.

Die erste Drahtgeneration (1G) wird nach dem Powder-inTube-Verfahren hergestellt. Das Supraleitermaterial wird als Pulver in ein Silberrohr gefüllt, das anschließend so bearbeitet wird, dass sehr dünne Drähte entstehen, die zu Filamenten zusammengefasst werden. Der Nachteil: Dieser Draht besteht zu 70% aus Silber und ist entsprechend teuer.

Die zweite Drahtgeneration (2G) besteht aus beschichteten Bandleitern, den sogenannten Coated Conductors. Je nach Beschichtungsverfahren variiert die Leistungsfähigkeit der Bandleiter. 2G-Bandleiter werden es ermöglichen, den Preis für Supraleiter in den nächsten zehn Jahren unter das Niveau konventioneller Kupferleiter zu senken.