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Forschungsdurchbruch Supraleitung gelingt schon bei Raumtemperatur

Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt lässt den Magneten über dem Supraleiter schweben.
Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt lässt den Magneten über dem Supraleiter schweben.
© Universität von Rochester / J. Adam Fenster / Commons
Die Supraleitung gilt als "Heiliger Gral" der Physik. Material ohne elektrischen Widerstand könnte zu einer Revolution der Elektronik führen. Bislang stellt sich er Effekt nur bei sehr geringen Temperaturen ein.

Neben dem Supermagneten gehört die Supraleitung zu den Elektronikthemen, die die größten Fantasien erzeugen. Was bedeutet Supraleitung eigentlich? Normalerweise hat jeder stromleitende Stoff einen Widerstand. Beim Durchleiten schluckt er Strom, das führt zu Leitungsverlusten. Und dieser Verlust wird in Wärme umgesetzt. Bei sehr tiefen Temperaturen beträgt der Widerstand allerdings null, das ist der Effekt der Supraleitung. Für verschiedene Anwendungen ist dieser Effekt auch heute schon wichtig. Nicht allein, um Strom zu sparen, häufig geht es darum, eine unerwünschte Hitze zu vermeiden.

Durch geschickte Wahl des Materials ist es nun gelungen, diesen Effekt auch bei Temperaturen zu nutzen, die weit höher liegen als der absolute Nullpunkt. Die Kühlung bedeutet einen hohen Aufwand. Von "Stromsparen" kann kaum die Rede sein, wenn Minustemperaturen unter minus 140 Grad Celsius künstlich erzeugt werden.

Raumtemperatur

Ein Forscherteam um Ranga Dias von der Universität Rochester hat es geschafft, einen Supraleiter herzustellen, der bereits bei Raumtemperatur funktioniert. "Wegen der Probleme der niedrigen Temperaturen haben Materialien mit diesen außergewöhnlichen Eigenschaften die Welt nicht ganz so verändert, wie viele sich das vielleicht vorgestellt haben", sagt Dias. "Unsere Entdeckung wird diese Barrieren jedoch überwinden und die Tür zu vielen potenziellen Anwendungen öffnen.

Hoher Druck notwendig

Dias nennt die Supraleitung bei Raumtemperatur den "Heiligen Gral" der Physik. "Um einen Hochtemperatur-Supraleiter zu haben, braucht man stärkere Bindungen und leichte Elemente", sagt er. "Das sind die beiden grundlegenden Kriterien. Wasserstoff ist das leichteste Material, und die Wasserstoffbindung ist eine der stärksten." Das Problem dabei: Reiner Wasserstoff geht nur unter extremen Druck in einen metallischen Zustand über. Also suchte das Team alternativen Materialien, die reich an Wasserstoff sind, die gewünschten supraleitenden Eigenschaften besitzen und die sich bei niedrigeren Drücken metallisieren.

Nach jahrelanger Arbeit setzte sich eine Mischung aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Schwefel durch. In einer sogenannten Diamant-Ambosszelle wird der nötige Druck von immerhin 39 Millionen Psi aufgebaut. Das so erzeugte kohlenstoffhaltige Schwefelhydrid zeigt die Fähigkeit zur Supraleitung schon bei 14,5 Grad. "Wir leben in einer Halbleitergesellschaft, und mit dieser Art von Technologie kann man die Gesellschaft in eine supraleitende Gesellschaft führen, in der man Dinge wie Batterien nie wieder braucht", heißt es in der Forschungsarbeit.

Praktikable Supraleitung würde effizientere Stromnetze ermöglichen, die Elektrizität ohne große Widerstandsverluste transportieren. So könnte man – zumindest theoretisch – Strom aus Sonnenenergie direkt aus der Sahara nach Europa leiten. Dazu kommen zahlreiche technische Anwendungen von leistungsfähigeren Magnetschwebebahnen bis zur Medizintechnologie.

Schwebe-Effekt

Bei Magnetschwebebahnen kommt eine weitere Wirkung der Supraleitung zum Tragen, der sogenannte Meißner-Ochsenfeld-Effekt. Ein von außen angelegtes Magnetfeld kann nicht bzw. kaum in das supraleitende Material eindringen, es wird verdrängt. Praktisch führt das zu einem "Schweben" des Materials. Nun arbeitet das Forscherteam daran, die Rezeptur so zu verändern, dass weniger Druck notwendig ist. Nur so kann man das Material in größeren Mengen zu vertretbaren Kosten herstellen. Außerdem hoffen sie, die Temperaturgrenze weiter nach oben schieben zu können.

Quelle: University of Rochester, Nature

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