Supraleiter

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Ein Magnet schwebt über einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Hochtemperatursupraleiter (ca. −197 °C).
Ein keramischer Hochtemperatursupraleiter schwebt über Dauermagneten.

Supraleiter sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten Sprungtemperatur auf null abfällt. Die Supraleitung wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes, einem Pionier der Tieftemperaturphysik, entdeckt. Im supraleitenden Zustand bleibt bzw. wird das Innere des Materials feldfrei, denn Magnetfelder werden verdrängt. Dieser nur quantenmechanisch erklärbare Meißner-Ochsenfeld-Effekt kann beispielsweise eine supraleitende Probe im Magnetfeld schweben lassen. Das Verdrängen des inneren Magnetfelds geschieht durch den Aufbau entsprechender Abschirmströme an der Oberfläche, die mit dem von ihnen induzierten Magnetfeld das innere Magnetfeld kompensieren.

Die Sprungtemperatur Tc ist für die meisten Materialien sehr niedrig und sinkt in einem externen Magnetfeld oder bei einem Stromfluss durch den Supraleiter weiter ab, auf 0 K bei der „kritischen Feldstärke“ Hc. Bei H < Hc dringt das Feld nur etwa 100 nm weit in das Material ein. Diese dünne Schicht trägt die Abschirm- und Leitungsströme. Tiefere Schichten sind feld- und stromfrei.

Supraleiter zweiter Art haben zwei kritische Feldstärken, eine tiefere für beginnendes Eindringen des Feldes und eine höhere für das Zusammenbrechen der Supraleitung. Der magnetische Fluss durch das Material konzentriert sich auf sogenannte Flussschläuche mit jeweils einem Flussquant. Er erlaubt eine höhere Stromtragfähigkeit.

Technische Anwendungen dieser metallischen Supraleiter sowie sogenannter Hochtemperatursupraleiter aus keramischem Material sind die Erzeugung starker Magnetfelder – für Beschleuniger, Medizintechnik, Levitation – sowie Mess- und Energietechnik.

Einteilung[Bearbeiten]

Metallische Supraleiter[Bearbeiten]

Supraleitung wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes kurz nach seiner Entdeckung der Heliumverflüssigung bei Messungen am Metall Quecksilber entdeckt. Dieser damals neuartige Effekt existierte nur bei extrem tiefen Temperaturen unter 4,2 Kelvin. Auch nach hundert Jahren Forschung mit vielen möglichen Metallkombinationen wurde kein metallischer Supraleiter mit einer Sprungtemperatur über 23 K gefunden. Dies beschränkt den Einsatz metallischer Supraleitung auf relativ wenige Anwendungen, denn die Kühlung erfordert flüssiges Helium und ist damit sehr aufwändig und teuer.

Metallische Supraleiter haben jedoch gegenüber den folgenden Klassen den großen Vorteil, dass man daraus Drähte formen kann, wie sie beispielsweise zur Konstruktion von Spulen für die Erzeugung sehr starker Magnetfelder notwendig sind. Die Eigenschaften metallischer Supraleiter werden durch die BCS-Theorie erklärt.

Keramische Hochtemperatursupraleiter[Bearbeiten]

Tc einiger keramischer Hochtemperatursupraleiter
Substanz Sprungtemperatur
in K in °C
YBa2Cu3O7 [1] 93 −180
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 −163
HgBa2Ca2Cu3O8 [1] 133 −140
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33
(momentaner Rekordhalter bei Standarddruck, noch nicht durch eine zweite unabhängige Forschergruppe reproduziert und publiziert)
138 −135


Hauptartikel: Hochtemperatursupraleitung

Als Hochtemperatursupraleiter (HTSL) werden Materialien bezeichnet, deren Sprungtemperatur über 23 K liegt, der höchsten Sprungtemperatur der konventionellen, metallischen (Legierungs-)Supraleiter. Diese Klasse von keramischen Supraleitern (Cuprate) mit besonders hohen Sprungtemperaturen wurde erst 1986 von Bednorz und Müller entdeckt, die dafür 1987 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden.

Für die Technik besonders interessant sind HTSL, die mit einer Sprungtemperatur von über 77 K (Siedetemperatur von Stickstoff) eine kostengünstige Kühlung ermöglichen. Der bekannteste Vertreter ist das Yttriumbariumkupferoxid mit der Formel YBa2Cu3O7-δ, das auch als YBaCuO, YBCO oder 123-Oxid bezeichnet wird. Supraleitfähigkeit wird für δ = 0,05 bis 0,65 beobachtet.

Die Einsatzmöglichkeiten sind sehr begrenzt, da sich aus dem spröden Material keine biegsamen Drähte herstellen lassen. Außerdem erfolgt die Stromleitung dieser „Keramiktabletten“ in getrennten Strompfaden und ist richtungsabhängig. Bisher rätselt man, auf welchen physikalischen Grundlagen die Stromleitung in den HTSL beruht.

Eisenhaltige Hochtemperatursupraleiter[Bearbeiten]

Tc einiger eisenhaltiger Hochtemperatursupraleiter
Substanz Sprungtemperatur
in K in °C
LaO0.89F0.11FeAs 26 −247
LaO0.9F0.2FeAs 28,5 −244,6
CeFeAsO0.84F0.16 41 −232
SmFeAsO0.9F0.1 43 −230
NdFeAsO0.89F0.11 52 −221
GdFeAsO0.85 53,5 −219,6
SmFeAsO≈ 0.85 55 −218

Eine völlig neuartige und unerwartete Klasse von Hochtemperatursupraleitern[2][3] entdeckte der Japaner Hideo Hosono im Jahr 2008: Verbindungen aus Eisen, Lanthan, Phosphor und Sauerstoff können supraleitend sein. Nach dem Pnictogen Phosphor werden diese Supraleiter Eisenpnictide genannt.

Überraschend war der Anteil an Eisenatomen, weil jedes andere supraleitende Material durch ausreichend starke Magnetfelder normalleitend wird. Diese starken internen Magnetfelder könnten nun sogar Voraussetzung der Supraleitung sein. Das Rätselraten über die physikalischen Grundlagen ist dadurch noch größer geworden. Bisher steht nur fest, dass der Stromfluss durch Paare von Elektronen getragen wird, wie in der BCS-Theorie beschrieben. Welcher Effekt aber diese Cooper-Paare verbindet, ist unklar. Sicher scheint, dass es sich nicht – wie bei metallischen Supraleitern – um eine Elektron-Phonon-Wechselwirkung handelt.

Durch die Wahl anderer Beimischungen wie Arsen, lässt sich die Sprungtemperatur von ursprünglich 4 K auf derzeit 56 K steigern.[4]

Metallische Supraleiter bei extrem tiefen Temperaturen[Bearbeiten]

Beispiele metallischer Supraleiter
Substanz Sprungtemperatur
in K in °C
Wolfram[5] 0,012 −273,139
Gallium[5] 1,091 −272,059
Aluminium 1,14 −272,01
Quecksilber[5] 4,153 −268,997
Tantal[5] 4,483 −268,667
Blei[5] 7,193 −265,957
Niob[5] 9,25 −263,9
AuPb 7,0 −266,15
Technetium 7,5 −265,7
MoN 12,0 −261,15
PbMo6S8 15 −258,15
K3C60 19 −254,15
Nb3Ge 23 −250,15
MgB2 39 −234,15

Je nach ihrem Verhalten im Magnetfeld unterscheidet man Supraleiter vom Typ I und Typ II, auch Supraleiter 1. und 2. Art genannt.

Supraleiter 1. Art[Bearbeiten]

Magnetische Feldlinien werden in Supraleitern 1. Art bis auf eine dünne Schicht an der Oberfläche vollständig aus dem Inneren verdrängt. Das Magnetfeld nimmt an der Oberfläche des Supraleiters sehr rasch exponentiell ab; das charakteristische Maß von etwa 100 nm der Oberflächenschicht ist die so genannte (Londonsche) Eindringtiefe. Man bezeichnet diesen Zustand auch als Meißner-Phase. Ein Supraleiter 1. Art wird auch für Temperaturen T<T_\mathrm{c} normalleitend, wenn entweder das äußere Magnetfeld einen kritischen Wert B_\mathrm{c} oder die Stromdichte durch den Supraleiter einen kritischen Wert J_\mathrm{c} überschreitet. Die meisten metallischen Elemente zeigen dieses Verhalten und haben eine sehr niedrige Sprungtemperatur im Bereich weniger Kelvin. Ausnahmen sind die nicht supraleitenden Alkali- und Erdalkalimetalle sowie Kupfer, Silber und Gold. Das Auftreten einer kritischen Stromdichte kann verstanden werden, indem man sich vor Augen führt, dass für das Anwerfen eines Abschirmstromes Energie nötig ist. Diese Energie muss von der Kondensationsenergie beim Phasenübergang normalleitend nach supraleitend geliefert werden. Sobald die benötigte Energie die Kondensationsenergie übersteigt, kann keine Supraleitung mehr vorliegen.

Bei Typ-I-Supraleitern wird die Supraleitung durch eine Paarbildung von Elektronen (Cooper-Paare) im Leiter erklärt.

Bei der normalen elektrischen Leitung entsteht der elektrische Widerstand durch Wechselwirkungen der Elektronen mit Gitterfehlern des Kristallgitters und Gitterschwingungen. Darüber hinaus können auch Streuprozesse der Elektronen untereinander eine wichtige Rolle spielen. Durch die Kopplung der Elektronen im Supraleiter zu Cooper-Paaren wird die Energieabgabe an das Kristallgitter unterdrückt und so der widerstandslose elektrische Stromfluss ermöglicht. Die beiden einzelnen Elektronen sind Fermionen, die sich zu einem bosonischen Cooper-Paar zusammenschließen, und dabei einen makroskopischen Quantenzustand einnehmen (vgl. auch Suprafluidität).

Die Theorie zur Beschreibung der Typ-I-Supraleiter beruht auf quantenphysikalischen Effekten, die mit Hilfe der BCS-Theorie im Rahmen der Vielteilchentheorie erklärt werden.

Supraleiter 2. Art[Bearbeiten]

Supraleiter 2. Art befinden sich bis zum sogenannten „unteren kritischen Magnetfeld“ B_\mathrm{c1} in der Meißner-Phase, verhalten sich also wie Typ I. Bei höheren Magnetfeldern können magnetische Feldlinien in Form sogenannter Flussschläuche in das Material eindringen (Schubnikow- oder Mischphase, auch Vortex- oder Flussschlauch-Zustand), ehe der supraleitende Zustand bei einem „oberen kritischen Magnetfeld“ B_\mathrm{c2} vollständig zerstört wird. Der magnetische Fluss in den Flussschläuchen beträgt immer ein ganzzahliges Vielfaches des magnetischen Flussquants:

\Phi_0 = h / (2\,e) = 2{,}07 \cdot\,10^{-15}\,\mathrm{Vs}

Fließt ein Strom mit der Dichte J durch den Supraleiter, so übt er auf die Flussschläuche eine Lorentz-Kraft

 F_\mathrm{L} = J \cdot \Phi_0 \cdot l (l = Länge des Flussschlauchs)

senkrecht zu J und dem Magnetfeld B aus. Dadurch wandern die Flussschläuche mit der Geschwindigkeit v quer durch das Material. Hierbei verschwinden die Schläuche an einem Rand und bilden sich am gegenüberliegenden Rand neu. Diese Feldbewegung verursacht wiederum eine Lorentz-Kraft F_Q, welche nach der lenzschen Regel dem Strom entgegengerichtet ist. Diese Gegenkraft bewirkt einen Spannungsabfall, es entsteht also ein elektrischer Widerstand im Supraleiter.

Um das zu verhindern, können in das Kristallgitter gezielt Störstellen (Pinning-Zentren) eingebaut werden, welche die Flussschläuche bis zu einer bestimmten Grenzkraft festhalten. Erst wenn die Lorentz-Kraft F_\mathrm{L} diese Grenze übersteigt, kommt es zur Drift und damit zum sogenannten Flux-flow-Widerstand. Supraleiter mit einer großen Grenzkraft bezeichnet man als harte Supraleiter.

Die Supraleiter zweiter Art sind theoretisch nicht so gut verstanden wie die Supraleiter erster Art. Zwar wird auch in diesen Supraleitern die Bildung von Cooper-Paaren angenommen, ein allgemein akzeptiertes Modell zu ihrer vollständigen Beschreibung existiert jedoch noch nicht.

Beispiele für Typ-II-Supraleiter sind die keramischen Hochtemperatursupraleiter. Zwei wichtige Gruppen sind YBaCuO (Yttrium-Barium-Kupferoxide) und BiSrCaCuO (Bismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxide). Weiterhin zählen die meisten supraleitenden Legierungen zum Typ II, so wie die für MR-Magnete verwendeten Niob-Aluminium-Legierungen. Seit ca. 2008 hat eine neue Klasse Materialien an Bedeutung gewonnen; die sogenannten Eisen-Pniktide. Der Grundbaustein dieser Supraleiter ist Arsen und Eisen und tritt in der Regel in Kombination mit einer seltenen Erde, Sauerstoff und Fluor auf.[6]

Eigenschaften[Bearbeiten]

Supraleiter, mit geringfügigen Unterschieden zwischen 1. und 2. Art, besitzen neben dem praktischen Verlust des elektrischen Widerstandes und dem Verdrängen von Magnetfeldern aus ihrer Struktur noch einige andere Eigenschaften. Die meisten lassen sich mit der BCS-Theorie oder der für die Supraleitung benutzten freien Enthalpie (auch „Gibbs-Funktion” genannt) erklären. Die freie Enthalpie der jeweiligen Phase kann man über verschiedene Beobachtungsparameter (z. B. Druck, Temperatur, magnetisches Feld) berechnen. Die Gibbs-Funktion wird in diesem Fall durch ein Minimum festgelegt, d. h., die supraleitende Phase wird im Vergleich zur normalleitenden Phase instabil, wenn die freie Enthalpie der supraleitenden Phase größer ist als die der normalleitenden (und umgekehrt). Ein sich drehender Supraleiter erzeugt ein Magnetfeld, dessen Orientierung mit der Drehachse des Supraleiters zusammenfällt, was man mit London-Moment bezeichnet.

Ein sogenanntes kritisches Magnetfeld B_\mathrm{c}, bei dem die Supraleitung zusammenbricht, kann als Funktion der Umgebungstemperatur T betrachtet werden. In der Nähe des absoluten Nullpunktes muss B_\mathrm{c} aufgewendet werden, um die supraleitende Phase zu zerstören. Beim Erreichen der Übergangtemperatur T_\mathrm{c} bricht die supraleitende Phase auch ohne ein äußeres Magnetfeld zusammen. Die Funktion des äußeren kritischen Magnetfeldes kann in guter Näherung durch

B_\mathrm{c}(T)=B_\mathrm{c}(0)\cdot \left(1- \left(T/T_\mathrm{c} \right)^2 \right)

beschrieben werden. Die Erklärung für den Zusammenbruch der Supraleitung bei ausreichend hohen Magnetfeldern liegt in der Bindungsenergie der Cooper-Paare. Wenn den Cooper-Paaren eine Energie zugeführt wird, die größer ist als ihre Bindungsenergie, dann brechen sie auf – was den Übergang in die normalleitende Phase beschreibt. Die Umgebungstemperatur muss entsprechend niedriger sein, um diesen Vorgang mit der Kondensation von Cooper-Paaren zu kompensieren. Die kritische Energie kann nicht nur durch magnetische Felder erzeugt werden. Zur Umgebungstemperatur wurden auch Funktionen mit dem Druck (1.) und elektrischen Feldern (2.) gefunden. Da das Aufbrechen von Cooper-Paaren endotherm ist, kann man durch ein Magnetfeld B_\mathrm{c} und einen darin befindlichen Stoff im supraleitenden Zustand die Umgebung des Supraleiters abkühlen. Als technische Anwendung ist dieser Kühlprozess per Entmagnetisierung jedoch uninteressant.

  1. Bei sehr hohem Druck sinkt im Allgemeinen die kritische Umgebungstemperatur. Allerdings gibt es teilweise auch umgekehrte Abhängigkeiten. Diese Anomalie einiger Stoffe kommt durch eine strukturelle Umwandlung des Leiters durch den hohen Druck zustande. Die kritische Temperatur des Stoffes kann bei zunehmendem Druck zuerst sinken, dann kommt es bei einem bestimmten Druck zur Bildung einer Modifikation, die plötzlich höhere Übergangstemperaturen aufweist. Zu diesen Hochdrucksupraleitern gehören auch Stoffe, bei denen bisher nur bei hohem Druck ein Übergang in die supraleitende Phase beobachtet wurde.
  2. Legt man eine Spannung an einen Supraleiter an, so zerstört dieses elektrische Feld ab einer bestimmten Stärke die Supraleitung.

Das Volumen eines Stoffes in der normalleitenden Phase V_\mathrm{n} (bei Temperaturen T>T_\mathrm{c}) ist kleiner als das Volumen in der supraleitenden Phase V_s (T<T_\mathrm{c}). Ist T = T_\mathrm{c} so entsprechen sich beide Werte ungefähr (V_\mathrm{s} = V_\mathrm{n}). Dies ist deshalb interessant, da während der Übergangsphase beide Phasen S und N nebeneinander im Leiter existieren. Um dieses Phänomen zu erklären, sind allerdings intensivere Überlegungen notwendig.

Die spezifische Wärmekapazität der Elektronen erhöht sich beim Übergang vom normal- in den supraleitenden Zustand bei T_\mathrm{c} für Typ-I/II-Supraleiter sprunghaft (Rutgers-Formel). In klassischen Supraleitern verringert sie sich im supraleitenden Zustand exponentiell mit der Temperatur, da Cooper-Paare keine Wärme aufnehmen können und so nur noch Elektronen zur Wärmekapazität beitragen, die über die Energielücke angeregt werden (siehe auch Boltzmann-Faktor). Die Wärmekapazität der Phononen (Gitterschwingungen) bleibt beim Übergang in den supraleitenden Zustand unverändert.

Der supraleitende Zustand hat wenig Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Man muss diesen Einfluss für zwei Arten von Stoffen betrachten. Zum einen Stoffe, bei denen Wärme vor allem über das Gitter weitergegeben wird, was einen Großteil von Leitern ausmacht. Diese Wärmeleitung wird in der Nähe von T_\mathrm{c} durch die starken Interferenzen an den Übergängen zwischen S- und N-leitenden Schichten behindert, bei T < T_\mathrm{c} jedoch durch die fehlende Wechselwirkung mit den Elektronen im Vergleich zur normalleitenden Phase besser. Bei Stoffen, in denen die Elektronen einen großen Anteil an der Wärmeleitung haben, wird diese logischerweise schlechter. Es wurde in dieser Beziehung darüber nachgedacht, Supraleiter als über ein kritisches Feld steuerbare Schalter für Wärmeströme einzusetzen.

Theorien[Bearbeiten]

Die Londonschen Gleichungen
Ohne auf die Träger des Suprastromes einzugehen, leiteten Fritz und Heinz London 1935 eine Beschreibung der Supraleitung her. Die London-Gleichungen beschreiben den widerstandslosen Transport und den Meißner-Ochsenfeld-Effekt.
Ginsburg-Landau-Theorie
Eine phänomenologische Beschreibung von Supraleitung gelang Witali Ginsburg und Lew Landau im Jahr 1950. Sie beschrieben den Übergang vom normalleitenden zum supraleitenden Zustand durch einen „Phasenübergang zweiter Ordnung“. In der Ginsburg-Landau-Theorie wird als Ordnungsparameter die makroskopische Wellenfunktion des supraleitenden Zustandes benutzt.
(Von dieser Theorie gibt es Querbeziehungen zur Hochenergiephysik, und zwar zum sog. Higgs-Mechanismus, bei dem es um die Erzeugung der Masse gewisser Elementarteilchen geht, die – ähnlich wie bei der Supraleitung – speziellen Eichsymmetrien unterliegen.)
BCS-Theorie
Die fundamentale, mikroskopische Beschreibung der Supraleitung, die im Gegensatz zu den vorhergehenden Theorien „alles erklärte“, wurde 1957 von John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer vorgestellt. Mit dieser BCS-Theorie lassen sich konventionelle Supraleiter sehr gut beschreiben. Die BCS-Theorie entstand etwa 50 Jahre nach der Entdeckung des Phänomens. Für die Hochtemperatursupraleitung existiert derzeit, etwa 25 Jahre nach den ersten Experimenten, noch keine allgemein akzeptierte Theorie.

Realisierte Anwendungen[Bearbeiten]

Erzeugung starker Magnetfelder[Bearbeiten]

Supraleitender Magnet für 7 Tesla.
Supraleitender Hohlraumresonator aus hochreinem Niob zur Beschleunigung von Elektronen und Positronen bei DESY; Länge der Struktur ca. 1 m
Schrägbild eines supraleitenden Doppelkontaktes (SQUID) zur Messung extrem schwacher Magnetfelder

Ein bedeutendes Anwendungsfeld ist die Erzeugung starker, konstanter oder nur langsam variierender Magnetfelder. Der ohmsche Widerstand der Spulenwicklungen konventioneller Elektromagnete erzeugt große Wärmemengen und damit einen großen Energieverlust.

Für diese Anwendung werden nur klassische Supraleiter (SL) verwendet, vor allem Legierungen von Niob. Diese erreichen höhere magnetische Feldstärken. Für Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) fehlen zurzeit noch die geforderten Fertigungstechniken. Die Herstellung starker supraleitender Spulen erfordert das Ziehen von kilometerlangen, nur wenige Mikrometer dünnen Leiterfäden. Klassische SL bestehen aus Metalllegierungen, mit denen dies möglich ist. HTSL sind eher keramikähnlich, und aus ihnen kann man bisher noch nicht solche Fäden herstellen.

Die Supraleitung ermöglicht es, die von einem hohen Strom durchflossenen Feldspulen in sich zu schließen, woraufhin der Strom im Prinzip unendlich lange verlustfrei in der Spule erhalten bleiben kann. Zum „Laden“ der in sich geschlossenen Spule wird ein kurzes Teilstück der Spule über die Sprungtemperatur geheizt. Dadurch wird die Spule geöffnet und kann über Zuleitungen mit Strom versorgt werden. Wenn die gewünschte Stromstärke erreicht ist, wird der Heizer abgeschaltet. Die Spule ist dadurch wieder in sich geschlossen. Bei dauerhaftem Betrieb können die elektrischen Anschlüsse nach dem Laden der Spule mechanisch entfernt und der Behälter der Spule verschlossen werden. Zur Erhaltung des Feldes ist dann nur ein regelmäßiges Nachfüllen der Kühlmedien Flüssighelium und Flüssigstickstoff erforderlich. Ein gutes Beispiel hierfür bietet ein NMR-Gerät.

Die größte Störung ist das sogenannte Quenchen (engl. to quench = löschen). Dabei bricht lokal die Supraleitung zusammen. Die nun normalleitende Stelle wirkt als elektrischer Widerstand. Sie heizt sich auf, wodurch sich der Widerstand noch erhöht. Der normalleitende Bereich vergrößert sich durch Wärmeleitung. So bricht innerhalb kurzer Zeit der Strom und damit das Magnetfeld zusammen. Da die im Magnetfeld gespeicherte Energie recht groß ist, kann dieser Vorgang zur Zerstörung der Spule führen.

Supraleiter sind ideal diamagnetisch. Daher kann ein Strom nur an ihrer Oberfläche fließen, und für große Stromstärken ohne Überschreiten der Grenzstromdichte muss man viele dünne SL-Fäden parallel schalten. Durch Einbetten dieser Fäden in Kupfer wird nun erreicht, dass beim Quenchen der Strom vom normalleitenden Kupfer aufgenommen wird und die Erwärmung gering bleibt, so dass der normalleitende Bereich nicht zu schnell anwächst (stabilisierter Supraleiter). Damit wird eine Zerstörung des Leiters vermieden. Solche Spulen aus stabilisierten Supraleitern werden beispielsweise in Kernspintomographen, Teilchenbeschleunigern und Kernfusionsreaktoren verwendet.

Mikrowellen in supraleitenden Kavitäten[Bearbeiten]

Für Teilchenbeschleuniger gibt es hochfrequente Felder zur Beschleunigung der Teilchen. Auch hierfür werden Supraleiter verwendet, obwohl die kritische Feldstärke mit der Frequenz deutlich absinkt. Ab einer kritischen Frequenz werden die Cooper-Paare direkt durch Photonenabsorption aufgebrochen. Dann sinkt die kritische Feldstärke auf null. Die einzige Möglichkeit, diese Grenze weiter zu verschieben, ist eine tiefere Kühlung.

Zum Beispiel werden in dem TESLA-Projekt supraleitende Kavitäten aus reinem Niob entwickelt. Vorteil und Nachteil des Systems ist die geringe Dämpfung. So ist der Wirkungsgrad besonders hoch, gleichzeitig werden aber parasitäre Moden nicht gedämpft.

Messtechnik[Bearbeiten]

Der Josephson-Effekt sowie SQUIDs erlauben die hochgenaue Messung von Magnetfeldern, z. B. zur Bestimmung von Hirn- und Herzmagnetfeldern, in der zerstörungsfreien Materialprüfung oder der geologischen und archäologischen Prospektion [7].

Geplante Anwendungen[Bearbeiten]

Magnetschwebebahn SupraTrans auf Supraleiterbasis des IFW Dresden

Die bisher bekannten supraleitenden Materialien müssen entweder sehr aufwendig auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden, oder sie lassen sich schwer verarbeiten. Die folgenden Anwendungen werden erst dann wirtschaftlich, wenn Materialkombinationen gefunden werden, deren Verwendbarkeit durch keinen dieser Nachteile mehr Probleme als Vorteile bringt. Optimal wäre ein Supraleiter bei Umgebungstemperatur.

Energietransport und -umwandlung[Bearbeiten]

Elektrische Kabel für Teilchenbeschleuniger am CERN; oben: Normale Kabel für LEP; unten: Supraleitende Kabel für den LHC.

Bei Supraleitern zweiter Art zum Transport höherer elektrischer Ströme besteht die Schwierigkeit, dass diese Materialien beim Übergang in den Normalzustand nicht wie die Metalle zu normalen, guten elektrischen Leitern werden, sondern – in guter Näherung – zu Isolatoren. Wenn ein solcher stromführender Supraleiter in den Normalzustand wechselt (zum Beispiel durch Überschreiten der maximalen Stromdichte), so wird der durch die Leitungsinduktivität kurz weiterfließende Strom das Material nach dem Jouleschen Gesetz erhitzen, was bis zur vollständigen Zerstörung des Supraleiters führen kann. Daher ist es notwendig, solche Materialien, beispielsweise als mikroskopisch dünne Fäden, in einen normalen Leiter einzubetten. Die Schwierigkeit, aus diesen keramikartigen Materialien dünne Fäden zu ziehen, ist eines der Haupthindernisse für den Einsatz bei höheren Stromstärken.

Es entstanden bereits erste Anlagen in Energieverteilungsnetzen, bei denen Hochtemperatursupraleiter als Kurzschlussstrombegrenzer eingesetzt werden.[8] Dabei bewirkt eine erhöhte Stromdichte im Kurzschlussfall, dass der Supraleiter zuerst in den Mischbereich und anschließend in den normalleitenden Bereich übergeht. Der Vorteil gegenüber Kurzschlussstrombegrenzungsdrosseln ist, dass ein Spannungsabfall während des Normalbetriebes nur stark vermindert auftritt. Ferner kann als Vorteil gegenüber Sicherungen und KS-Begrenzern mit Sprengkapseln festgehalten werden, dass der supraleitende Zustand ohne Austausch von Betriebsmitteln wiedererreicht wird und ein Normalbetrieb kurze Zeit nach dem Fehlerfall wieder möglich ist.

Da auf klassischen Leitungen elektrische Energie unter Verwendung hoher Spannungen effizient übertragen werden kann, sind Supraleiter als Energieüberträger kaum konkurrenzfähig. Durch die im Vergleich zu konventionellen Leitungen höhere erzielbare Stromdichte lässt sich jedoch mehr elektrische Leistung auf gleichem Raum übertragen. Daher werden supraleitende Kabel dort eingesetzt, wo durch Erhöhung des Bedarfs bei begrenztem baulichen Raum Erweiterungen vorgenommen werden müssen.

Es lassen sich verlustarme Transformatoren herstellen, die bei gleicher Leistung deutlich verminderte Abmessungen und Masse haben und somit beispielsweise im mobilen Betrieb (Lokomotiven) Vorteile erbringen. Darüber hinaus kann auf eine umweltgefährdende Ölkühlung verzichtet werden. Bei guter thermischer Isolierung ist es möglich, die Transformatoren mit Kältemaschinen zu betreiben.

Annähernd verlustfreie Elektromotoren mit Hochtemperatursupraleitern könnten eine deutliche Volumen- und Gewichtsersparnis gegenüber klassischen Motoren bringen. Eine mögliche Steigerung des ohnehin schon sehr guten Wirkungsgrades von 98 % (bei Großmotoren) wäre dagegen fast bedeutungslos.

Als weiteres Anwendungsgebiet kämen Generatoren in Frage. Diese ließen sich mit Hilfe von Supraleitern selbst bei hohen Leistungen deutlich leichter und kompakter konstruieren als bei herkömmlichen Generatorkonzepten. Generatoren dieser Art würden bei Windkraftanlagen geringere Turmkopfmassen und somit eine Kostenreduktion der gesamten Anlage bewirken. Erste Forschungsprojekte laufen bereits.[9][10]

Mechanische Lager auf Basis der Supraleitung[Bearbeiten]

Unter der Verwendung von supraleitenden Lagern lassen sich Energiespeicher für die kurzfristige Speicherung elektrischer Energie konstruieren. Diese Speicher dienen insbesondere der Kompensation schneller Lastschwankungen der Verbundnetze. Mit Hilfe der Lager werden Schwungräder reibungsfrei gelagert, die die Energie speichern.

Magnetischer Energiespeicher auf Basis der Supraleitung[Bearbeiten]

In einem supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) wird mit supraleitenden Spulen Energie gespeichert. Die Energie ist sehr schnell abrufbar und wird daher für die Kompensation schneller Lastschwankungen in Stromnetzen (Flickerkompensator) oder als Pulsgenerator für kurze, intensive Pulse eingesetzt.

Elektronische Schaltungen auf Basis der Supraleitung[Bearbeiten]

Seit den 1970er Jahren gibt es Versuche, eine supraleitende Elektronik zu entwickeln. Unter anderem wurden Forschungsprojekte von IBM durchgeführt. In diesen Projekten wurde versucht, die Methoden der auf Spannungslevel basierenden Halbleiterelektronik auf die Supraleitung anzuwenden. Aus grundlegenden physikalischen Gründen ist die damit erreichbare Taktfrequenz auf einige GHz begrenzt und damit nicht schneller als aktuelle Halbleiter-Prozessoren.

1985 wurde von einer Forschergruppe der Moskauer Universität ein alternativer Ansatz vorgeschlagen, der auf die besonderen Eigenschaften der Supraleitung (Josephson-Effekt und Flussquantisierung in supraleitenden Schleifen) angepasst ist. Dieser Ansatz basiert auf dem Austausch von einzelnen Flussquanten zwischen supraleitenden Schleifen und wird deshalb als schnelle Einzelflussquanten-Elektronik (RSFQ-Elektronik, von engl. Rapid Single Flux Quantum) bezeichnet. Diese Elektronikfamilie zeichnet sich durch extrem geringe Verlustleistungen sowie extrem hohe Taktfrequenzen (über 100 GHz) aus.

In der RSFQ-Elektronik wird Niob verwendet. Die Betriebstemperatur beträgt T = 4,2 K und wird in den meisten Fällen durch Verwendung von flüssigem Helium erreicht. Anders als bei den zuvor genannten Anwendungen würde die supraleitende Elektronik von der Entwicklung eines Raumtemperatur-Supraleiters nicht profitieren können. Die supraleitende Elektronik basiert auf extrem niedrigen Signalpegeln. Bei steigenden Temperaturen nimmt die Leistung des thermischen Rauschens linear zu, sodass bei Temperaturen über 30 K das geringe Signal-Rausch-Verhältnis die Funktion einer komplexen Schaltung verhindert.

Geschichte[Bearbeiten]

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Originalnotiz von Heike Kamerlingh Onnes

Bevor Experimente bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt durchgeführt werden konnten, gab es verschiedene Theorien, wie sich der elektrische Widerstand in diesem Temperaturbereich verhalten würde, so z. B. dass der Widerstand stark ansteigen würde oder dass er ein bestimmtes Niveau nicht unterschreiten würde.

Der Effekt der Supraleitung wurde erstmals am 8. April 1911 vom Niederländer Heike Kamerlingh Onnes bei Experimenten mit flüssigem Helium entdeckt.[11] Er beobachtete, dass Quecksilber unterhalb von 4,19 Kelvin sprungartig seinen elektrischen Widerstand verlor. Obwohl die Quantenmechanik damals noch neu war, postulierte er bereits, dass die Supraleitfähigkeit nur quantenmechanisch erklärt werden könne.

Die erste phänomenologische Deutung der Supraleitung kam von den deutschen Physikern Fritz London und Heinz London in den 1930er Jahren.

Im Jahr 1950 entstand die erfolgreiche phänomenologische Ginsburg-Landau-Theorie. Eine quantenmechanische Theorie der Supraleitung wurde erst im Jahre 1957 von den US-amerikanischen Physikern John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer (BCS-Theorie) gegeben, wofür ihnen 1972 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde.

Im Jahre 1986 publizierten der deutsche Physiker Johannes Georg Bednorz und der Schweizer Karl Alex Müller (beide waren am IBM-Forschungszentrum bei Zürich beschäftigt) ihre Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung, wofür sie bereits 1987 den Nobelpreis erhielten. Eine Theorie über das Zustandekommen dieser Art Supraleitung steht noch aus.

Die russischen Physiker Witali Lasarewitsch Ginsburg und Alexei Alexejewitsch Abrikossow erhielten 2003 den Nobelpreis für ihre Forschungen über die verschiedenen Typen von Supraleitern (Supraleiter 1. und 2. Art).

Im August 2005 wurde der weltweit erste Generator mit Hochtemperatur-Supraleitung (HTS) im Systemprüfhaus für Großantriebe der Siemens AG in Nürnberg erfolgreich in Betrieb gesetzt. Der Generator leistet rund 4 MW bei 3600/min.

In Essen wird 2013 in einem Pilotprojekt, „Ampacity“ von RWE Deutschland, eine 110-kV-Verbindung zweier Umspannstationen durch ein 10-kV-HTS-Kabel ersetzt. Das 1 km lange, auf 40 MW ausgelegte Kabel wird von Nexans in Hannover gefertigt.[12]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  •  James F. Annett: Superconductivity, superfluids, and condensates. Oxford Univ. Press, Oxford 2005, ISBN 978-0-19-850756-7.
  •  Peter J.Ford: The rise of the superconductors. CRC Pr., Boca Raton 2005, ISBN 0-74840-772-3.
  •  Werner Buckel, Reinhold Kleiner: Supraleitung – Grundlagen und Anwendungen. 6. Auflage. Wiley-VCH, Februar 2004, ISBN 978-3-527-40348-6.
  •  A. V. Narlikar: Frontiers in superconducting materials. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-24513-8.
  •  Gernot Goll: Unconventional superconductors. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-28985-2.
  • Andrei G. Lebed: The physics of organic superconductors and conductors. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-76667-4.
  • Gernot Krabbes: High temperature superconductor bulk materials: fundamentals - processing - properties control - application aspects. Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-40383-3.
  • David A. Cardwell, David S. Ginley : Handbook of superconducting materials. Institute of Physics, Bristol 2003, ISBN 0-7503-0898-2.
  •  J. R. Schrieffer, M. Tinkham: Superconductivity. In: Reviews of modern physics. Nr. 71, 1999, S. 313–317, doi:10.1103/RevModPhys.71.S313.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Supraleiter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Supraleiter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Deutsch:

Englisch:

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Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b  F. Schwaigerer, B. Sailer, J. Glaser, H. J. Meyer: Strom eiskalt serviert: Supraleitfähigkeit. In: Chemie in unserer Zeit. 36, 2002, S. 108–124, doi:10.1002/1521-3781(200204)36:2<108::AID-CIUZ108>3.0.CO;2-Y.
  2. Björn Gojdka: Der neue Goldrausch: eisenhaltige Supraleiter. DESY - Welt der Physik, Hamburg, 22. Juli 2009, abgerufen am 24. November 2009.
  3. Rainer Scharf: Arsenid-Supraleiter mit dem gewissen Etwas. pro-physik.de, 29. Januar 2009, abgerufen am 24. November 2009.
  4. Von der Alchimie zur Quantendynamik: Auf der Spur von Supraleitung, Magnetismus und struktureller Instabilität in den Eisenpniktiden. Max-Planck-Gesellschaft, Forschungsbericht 2011 - Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe, abgerufen am 29. July 2011.
  5. a b c d e f  Charles Kittel: Introduction to Solid State Physics. 7. Auflage. Wiley, New York 1996, ISBN 978-0471111818.
  6. Von der Alchimie zur Quantendynamik: Auf der Spur von Supraleitung, Magnetismus und struktureller Instabilität in den Eisenpniktiden mpg.de, abgerufen am 15. Juni 2012
  7. Geophysics Airborne Tensor. Institut für Photonische Technologien, Jena, abgerufen am 6. Februar 2010. (webarchiv)
  8. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-Format[http://www.nexans.de/Germany/2009/NXS_HTS-Begrenzer_Kraftwerk_final.pdf Weltpremiere: Supraleitender Strombegrenzer schützt Eigenversorgung in einem Kraftwerk.] Nexans, 6. November 2009, abgerufen am 14. September 2013 (PDF; 218 kB).
  9. Supraleitung: Kostenhalbierung bis 2017. In: VDI nachrichten, 23. März 2012. Abgerufen am 5. Januar 2013.
  10. Forscher wollen 10 MW Offshore-Turbine bauen. In: IWR, 4. Januar 2013. Abgerufen am 5. Januar 2013.
  11. Dirk van Delft, Peter Kes: The discovery of superconductivity (PDF; 576 kB). In: Physics Today, Vol. 63, Issue 9, September 2010, S. 38–43.
  12. Wenn Strom eines Tages keinen Widerstand mehr hat welt.de, abgerufen am 20. März 2013