Euphorie der kalten Kabel kehrt zurück
Neue Supraleiter wecken wieder Hoffnung, dem Strom auch im Alltag den Widerstand zu nehmen. Eine Magnesiumverbindung ist das Mataterial, das für Forscher etliche Vorteile verspricht. Es könnte die Produktion von Kabeln für die verlustfreie Stromübertragung stark erleichtern und billiger machen.
Der Stoff ist pulvrig, schwarz, geruchlos und heißt Magnesiumdiborid (MgB2). Für manche Physiker wirkt er wie eine Wunderdroge. Im Ofen erhitzt und anschließend auf unter – 234 °C abgekühlt, wird die Verbindung zum Supraleiter. Elektrischen Strom leitet sie dann ohne Energieverlust. Das ist an sich noch keine Sensation – das Prinzip der Supraleitung ist schließlich schon seit 1911 bekannt. Zudem gibt es spezielle Keramik-Stoffe, die eine weitaus höhere „Sprungtemperatur“ haben, unter der sie ihren elektrischen Widerstand verlieren. Dennoch sorgt Magnesiumdiborid für Euphorie.
„Wenn ich es nicht besser wüsste, würde ich glauben, dass wir in den letzten Wochen geträumt haben“, schrieb der Physiker Robert Cava von der Universität Princeton in der Wissenschaftszeitschrift Nature. Das war im Mai, fünf Monate nach den ersten Meldungen über die Entdeckung des japanischen Forschers Jun Akimitsu, dass Magnesiumdiborid supraleitend sei. Inzwischen liegen dazu weitere Forschungsergebnisse aus aller Welt vor. Endlich, so glauben die Wissenschaftler, halten sie ein Material in Händen, durch das Supraleiter auch breite Anwendung finden könnten.
Magnesiumdiborid hat mehrere Vorteile: Es muss nicht wie andere rein metallische Verbindungen unter großem Aufwand mit flüssigen Helium auf Temperaturen knapp über null Kelvin, dem absoluten Nullpunkt (- 273 °C), gekühlt werden, um zum Supraleiter zu werden. Hier reichen 39 Kelvin, die mit flüssigem Wasserstoff erreicht werden. Die Ausgangsstoffe Magnesium und Bor sind zudem in großen Mengen und relativ billig verfügbar. Und im Vergleich zu den teuren Hochtemperatur-Supraleitern (HTSL) aus spröder Metalloxid-Keramik, denen schon 77 Kelvin (- 196 °C) mit flüssigem Stickstoff als Kühlung genügen, hat es keine körnige Kristallstruktur. Das könnte die Produktion von Kabeln für die verlustfreie Stromübertragung erheblich erleichtern und billiger machen.
„Vor allem die niedrigeren Kosten lassen Hoffnung für den Durchbruch der Supraleiter aufkeimen“, sagt Wilfried Goldacker, Chef der Entwicklung supraleitender Materialien am Forschungszentrum Karlsruhe. „Das Hauptproblem der Supraleiter ist heute der Preis.“ Die Technik gilt hingegen in immer mehr Feldern als reif für die Anwendung.
Als hinderlich erwies sich vor allem ein Problem: Hochtemperatur-Supraleiter aus Keramik wie Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) sind spröde. Formt man daraus einen Draht, besteht dieser herstellungsbedingt aus vielen mikroskopisch kleinen Körnern. Jedes Korn alleine transportiert den Strom sehr gut. Doch in einem langen Kabel muss der Strom auch von Korn zu Korn fließen. Das geht nur über die Bereiche, an denen sich die Körner auch berühren. Diese Flächen sind aber relativ klein, wodurch die Stromstärke stark eingeschränkt ist. Ab einer kritischen Stromdichte funktioniert die Supraleitung nicht mehr.
Neuerdings ist es möglich, diese Schwachstelle gewissermaßen zu überbrücken. Ein Team um den Augsburger Physikprofessor Jochen Mannhart entwickelte ein Verfahren, mit dem YBCO winzige Mengen Kalzium beigemischt werden kann. Dabei sammelt sich dieser „Dotierstoff“ genau an den Korngrenzen an und verbessert dort die Leitungsqualität. Zudem schaffen es die Wissenschaftler, die Abermillionen kleiner Kristalle so zu schichten, dass sie sich viel passgenauer aneinander fügen. Die Folge: „Es ist uns gelungen, die Stromtragfähigkeit um das Sechsfache zu erhöhen“, erklärt Mannhart. Im Vergleich zu den ersten Versuchen mit HTSL stieg die kritische Stromdichte sogar um das Hundertfache.
Damit wird es jetzt realistischer: Große Energiemengen verlustfrei über weite Strecken zu transportieren. Ein Praxistest läuft bereits. In der US-Stadt Detroit wurde kürzlich ein 110 m langes Kabel installiert, das 16 000 Haushalte mit Strom versorgt. Das dort in langen Bändern eingesetzte, supraleitende Material BSCCO besteht aus Wismut, Strontium, Kalzium und Kupferoxid.
Allerdings dürfte das Detroiter Beispiel kaum Schule machen. Bei der Fertigung des BSCCO muss die Keramik mit einer Hülle aus reinem Silber umgeben werden. „Unter dem Preis des Silbers, das da drin steckt, kann man so ein Wismutband nicht herstellen“, sagt Goldacker. So ist es nicht nur die teure Kühlung, die die Supraleiter auf dem Weg zur Wirtschaftlichkeit noch behindert. Nur in Nischen-Anwendungen rechnet sich der große Kostenaufwand schon heute. LUCIAN HAAS
Anwendungen für Supraleiter
Stromtransport: Supraleiter-Kabel vermeiden die Energieverluste üblicher Kupfer- und Aluminiumkabel. Für die Praxis noch zu teuer.
Stromspeicher: Eine geschlossene Supraleiter-Spule, bei der die Kabelenden miteinander verbunden sind, wird mit Elektronen beschickt. Sie sausen dann so lange verlustfrei im Kreis, bis der Speicher bei Bedarf (z. B. bei Stromausfall) entladen wird. Wegen aufwändiger Kühlung und geringer Speicherkapazität noch unwirtschaftlich.
Magnete: Aus Supraleitern lassen sich extrem starke Magnete bauen. Sie werden schon heute beispielsweise in medizinischen Kernspintomografen und bei Teilchenbeschleunigern erfolgreich eingesetzt.
Transformatoren: Supraleiter-Trafos sind weitaus kleiner, leichter und dabei leistungsfähiger als herkömmliche Trafos. Siemens will bis 2005 Modelle für den Einsatz in E-Loks und ICE-Zügen zur Marktreife bringen.
Hochfrequenzfilter: Elektronische Filter aus Supraleitern können Funkfrequenzen besser voneinander trennen. In Hochleistungs-Mobilfunkstationen verbessern sie bereits die Sendequalität.
Sensoren: Hochsensible Magnetsensoren können selbst kleinste Magnetfeldschwankungen registrieren. Erste Anwendungen in der Materialprüfung (z. B. Brückeninspektion) laufen.
Strombegrenzer: Supraleiter dienen als Kurzschluss-Sicherung für Stromnetze. Steigt die Stromdichte über einen kritischen Wert an, springt der Supraleiter in den normalleitenden Zustand. Der plötzliche Widerstand schwächt den Strom ab. Erster Praxistest in der Schweiz.
Computer: Mit elektronischen Bauteilen aus Supraleitern könnte die Rechengeschwindigkeit deutlich gesteigert werden. Steckt noch in der Grundlagenforschung. luh
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