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Supraleiter bei Raumtemperatur: Druck bringt Durchbruch

20.10.2020 | 11:44 Uhr | Peter Müller

Elektrische Leitung ohne Widerstand und das ganz ohne Kühlung? Das geht – aber nur unter schwierigen Nebenbedingungen.

Ein großer Traum der Physik, seit über 100 Jahren: Elektrische Energie bei Raumtemperatur ohne Verluste über längere Strecken übertragen, also Strom ohne Widerstand leiten: Supraleitung. Entdeckt hatte im Jahr 1911 das Phänomen der niederländische Physiker Heike Kammerling-Onnes, dem bereits einige Jahre zuvor erstmals die Verflüssigung von Helium gelungen war. Genau das war der Haken an der Entdeckung: Quecksilber (wie auch viele andere Metalle) verliert seinen elektrischen Widerstand bei Temperaturen, bei denen Helium flüssig ist.

Erst in den 50er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts fand sich mit der BCS-Theorie eine quantenmechanische Erklärung des Effekts, die erst einmal paradox klingt: Denn in Supraleitern müssen bestimmte Bedingungen vorliegen, damit sich Elektronen, die sich ja sonst abstoßen, paarweise koppeln. Diese Cooper-Paare genannten Quasiteilchen verhalten sich nun wie in einem Kollektiv: Entweder streuen sie alle am Kristallgitter des Leiters oder keines von ihnen, widerstandsfreier Stromtransport ist nun möglich.

Die technischen Anwendungen von Supraleitern wären enorm: Ein Transrapid wäre plötzlich wirtschaftlich, Computer und andere elektrische Anlagen müsste man nicht mehr kühlen, da ja die thermische Energie vom elektrischen Widerstand kommt. Doch ein Material das bei Raumtemperatur – also in der Größenordnung von 20° Celsius oder 293 Kelvin – seinen elektrischen Widerstand verliert, ist nicht bekannt. Bis jetzt.

Wissenschaftlern der Rochester Universität im US-Bundesstaat New York ist es aber nun gelungen, ein Material zu finden, das auch bei 15° Celsius elektrischen Strom ohne Widerstand leitet . Von einer technischen Anwendung ist das Ergebnis aber noch sehr weit entfernt, denn die Supraleitung setzt erst bei einem hohen Druck ein. Der ist mit 2,7 Millionen Bar aber so hoch, wie er natürlicherweise erst weit im Inneren der Erdkugel auftritt.

Hochtemperatur-Supraleiter mit beschränkter Hoffnung

Schon seit den Achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts kennt die Physik eine neue Klasse von Supraleitern, die bereits bei Temperaturen, die man mit flüssigem Stickstoff erreichen kann, ihren elektrischen Widerstand verlieren. Eine Sprungtemperatur von 90 bis 120 Kelvin liegt zwar noch sehr weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser (von Celsius eben als 0° C definiert), dennoch spricht man von Hochtemperatursupraleitern. Stickstoff wird bei normalem Druck von etwa einem Bar bei 77 Kelvin (-196° C) flüssig, die Verflüssigung des allgegenwärtigen Elements ist weder besonders kompliziert noch teuer oder energieaufwendig. Dennoch sind auch Hochtemperatursupraleiter keine Lösung für Energieprobleme, denn die Kristalle, die etwa Yttrium oder Barium enthalten und in denen eine Kupferoxid-Schicht die Supraleitung übernimmt, sind nur sehr schwer herzustellen und da sie sehr brüchig sind, eben nicht in supraleitende Kabel zu packen. Die Hoffnungen, aus den Ergebnissen der Forschung an HTSCs (High Temperature Super Conductors) Schlüsse zu ziehen, wie man zu besser verarbeitbaren Substanzen mit Sprungtemperatur über dem Gefrierpunkt von Wasser kommen kann, haben sich bisher nicht erfüllt. Vermutlich werden die Ergebnisse aus New York ähnliche Erwartungen auch enttäuschen müssen.

Theorie unter Hochdruck bestätigt

Seit 2004 besteht die an der Cornell University (New York) entwickelte Theorie, dass mit Wasserstoff angereicherte Kristalle zu deutlich höheren Sprungtemperaturen führen, im Jahr 2016 haben Forscher – darunter welche vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz – den Beweis geführt und Supraleitung in einer Schwefelwasserstoff-Verbindung bei über 200 Kelvin beobachtet. Das übel riechende Gas setzte das Experiment so stark unter Druck, dass es zunächst verflüssigte und dann fest wurde. Bei einem Druck von 1,5 Millionen Bar und bei -70 °C (203 Kelvin) verlor die Substanz ihren elektrischen Widerstand. Konkret leitete hier ein Hybrid aus Schwefelwasserstoff und zusätzlich eingebrachten Wasserstoff den Strom.

Seit letztem Jahr hielten die Mainzern einen neuen Rekord, mithilfe von Lanthanhydrid (LaH 10 ) erreichten sie eine Sprungtemperatur von 250 Kelvin – minus 23 Grad Celsius, Raumtemperatur im winterlichen Sibirien, wenn die Heizung ausgefallen ist und man das Fenster offen stehen lässt.

Den jüngsten Rekord haben nun die Forscher in Rochester mit einem Kohlenstoff-Schwefel-Gemisch erzielt, in das sie unter zunehmenden Druck Wasserstoffgas einströmen ließen. In einer chemischen Reaktion entstand dabei Methan, dessen Kristalle im festen Zustand schließlich den Strom leiteten. Supraleitung trat dann bei 15 Grad Celsius ein, bei einem Druck von 2,7 Millionen Bar.

Wie der klassische Supraleiter oder der HTSC ist diese Art der Supraleitung noch weit von großtechnischer Anwendung entfernt, erneut besteht die Aufgabe darin, die zur supraleitenden Mechanismen genauer zu verstehen und neue Materialien und Methoden zu finden.

Supraleiter finden aber sehr wohl schon heute Anwendung, etwa in hochsensiblen Magnetfeldmessern, sogenannten Squids, was für Supraconducting Quantum Interference Device steht. Eine mit der Supraleitung verbundene Eigenschaft kann Metalle zum Schweben bringen, da Magnetfelder nicht mehr in sie eindringen können. Bis aber ein Transrapid vom Hauptbahnhof auf diese Weise abhebt, wird noch sehr viel Wasser die Isar hinab und Strom durch die Netze fließen. Mit Widerstand.

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