Was ist ein Superconductor?

Diese Wunder der Quantenmechanik können elektrische Ladung aufrechterhalten und magnetische Felder abstoßen, was sie zu einem attraktiven Aktivposten für elektrifizierte Industrien macht.

Ein Superconductor ist ein Material, das, wenn es auf eine kritische Temperatur abgekühlt wird, Elektrizität ohne Widerstand oder Energieverlust leiten kann. Es erreicht einen Zustand „perfekter Leitfähigkeit“ oder Supraleitung, bei dem ein elektrischer Strom unbegrenzt fließen kann.

Darüber hinaus können Superconductor andere Objekte in der Luft schweben lassen. Diese Materialien werden als diamagnetische Levitation bezeichnet und blockieren externe magnetische Kräfte, indem sie ein eigenes Magnetfeld erzeugen, das eine Kraft abstößt, die stärker ist als die Schwerkraft. Dieses Phänomen wird als Meißner-Effekt bezeichnet.

Supraleitung hebt elektrischen Widerstand und magnetische Felder in einem quantenmechanischen Phänomen auf, „das sich grundlegend von der Funktionsweise herkömmlicher Leiter unterscheidet“, sagte Ryan Milton, Direktor von MC Electrical & Communications , gegenüber Built In. 

Die größte Herausforderung liegt in der Anwendung. Laut Milton ist die Suche nach supraleitenden Materialien, die bei höheren, „praktischeren“ Temperaturen aktiviert werden, und die anschließende Erforschung ihrer Funktionsweise „ein Gebiet, das Wissenschaftler und Ingenieure aktiv erforschen“.

Dieser Durchbruch schien im Juli 2023 zu erfolgen, als ein Team südkoreanischer Forscher behauptete , den ersten superconductor „bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck“ entdeckt zu haben, mit einem Material, das sie LK-99 nannten. Leider wird diese Behauptung von anderen Wissenschaftlern nicht unterstützt (das Condensed Matter Theory Center der University of Maryland sagte , dass LK-99 kein superconductor sei). Eine solche Entdeckung hätte die Spielregeln geändert.

Wie funktionieren superconductor?

Normale Leiter lassen Elektrizität durchfließen, wenn eine Stromquelle angelegt wird. Dabei entsteht ein sogenannter Widerstand, d. h., Elektronen wandern von Atom zu Atom und stoßen dabei gelegentlich mit Atomkernen zusammen. Dieser Prozess verbraucht Energie und erhitzt ein Material. Sobald die Stromquelle entfernt wird, hört der elektrische Strom auf.

Dies ist bei superconductor nicht der Fall, da ihre einzigartige atomare Zusammensetzung diesen elektrischen Strom aufrechterhalten würde.

Ein normaler Leiter wird zu einem superconductor, wenn Elektronen gepaart werden, um „mit den vibrierenden Atomen eines Materials zu kooperieren“, erklärt Michael McHenry, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Carnegie Mellon University . Diese gekoppelten Elektronen sind als Cooper-Paare bekannt und drehen sich in entgegengesetzte Richtungen, während sie sich mit gleicher Geschwindigkeit voneinander entfernen. Anstatt also eine unregelmäßige Bahn zu nehmen, navigieren die Elektronen durch die gemeinsamen oszillierenden Wellen zwischen den Elektronen und der Struktur eines Materials und bewegen sich reibungslos synchron mit den vibrierenden Kernen. So können sie Kollisionen oder Streuung vermeiden – die Ursache des Widerstands.

Je kälter ein Material wird, desto organisierter werden diese Wege. Normalerweise liegt dieser Wert nahe dem absoluten Nullpunkt – der niedrigsten möglichen Grenze auf der thermodynamischen Skala, die bei -459,67 Grad Fahrenheit oder 0 Grad Kelvin liegt –, er hängt jedoch vom Material ab.

Neue Durchbrüche in den letzten Jahren haben zur Entdeckung sogenannter Hochtemperatur-superconductor geführt . Diese Materialien, typischerweise keramische Kupferoxide, weisen Eigenschaften der Supraleitung bei relativ hohen Temperaturen auf, die man früher für unmöglich gehalten hatte. Sie können mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden , der bei 77 Kelvin oder -321,1 Fahrenheit kühl bleibt.

„In einem supraleitenden Zustand verhalten sich die Elektronen innerhalb der Cooper-Paare … kollektiv wie eine einzelne Einheit und nicht wie einzelne Teilchen“, sagte Shubham Munde, ein leitender Forschungsanalyst bei Market Research Future , dessen Schwerpunkt unter anderem auf Halbleitern liegt.

„Indem Wissenschaftler die Grenzen der Temperaturbeschränkungen verschieben, streben sie kontinuierlich danach, Materialien zu finden, die bei noch höheren Temperaturen Supraleitung aufweisen“, sagte Munde. „Das [Ziel ist], diese transformative Technologie näher an die Raumtemperatur heranzubringen, um sie für eine breite Umsetzung in verschiedenen Branchen praktikabler und kostengünstiger zu machen.“

Supraleitende Materialien

superconductor können aus Metallen, Polymeren oder Oxiden hergestellt werden.

Dazu gehören Blei, Zinn oder Quecksilber bis hin zu komplexen keramischen Materialien wie Seltenerd-Barium-Kupferoxiden. (Für die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitungseigenschaften von Keramik erhielten Georg Bednorz und Karl Müller 1987 den Nobelpreis.)

Beispiele und Anwendungen für superconductor

Medizin

In der Diagnostik sind supraleitende Magnete die Schlüsselkomponente von MRT-Geräten. Diese nutzen supraleitende Drähte, um ein eigenes Magnetfeld zu erzeugen. Dadurch wird die Durchdringungskraft der Radiofrequenzen verstärkt, um optimale Bilder zu erhalten. Im medizinischen Bereich wird ihr Einsatz auch in magnetischen Medikamentenverabreichungssystemen und zur Erkennung von Krebszellen untersucht .

„Ihre Fähigkeit, starke Magnetfelder bei geringem Stromverbrauch zu erzeugen, ist entscheidend“, sagte Milton.

Kraftübertragung

Supraleitende Kabel können große Ströme nahezu ohne Leistungsverlust übertragen, was diese Technologie zu einer Art „Heiligem Gral“ für zukünftige Stromnetze und elektrische Übertragungsnetze macht.

Dem Energieministerium zufolge werden derzeit verschiedene Varianten supraleitender Leitungen getestet , die Elektrizität mit der 200-fachen Geschwindigkeit eines Kupferstandards übertragen, und dafür sogar staatliche Förderung erhalten.

Wissenschaftliche Forschung

Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, so Milton, werden superconductor in zahlreichen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt, um bahnbrechende Neuerungen zu erschließen. Wissenschaftler nutzen superconductor zur Erforschung physikalischer Phänomene wie Teilchenbeschleuniger oder als Nanodrahtdetektoren bei der Suche nach dunkler Materie und subatomaren Teilchen, den sogenannten Neutrinos .

Quantencomputer

superconductor versprechen, die Informationsverarbeitung auf Quantengeschwindigkeit zu bringen . Theoretisch werden diese Computer durch einen elektrischen Stromkreis, ein sogenanntes supraleitendes Qubit, angetrieben, der durch supraleitende Materialien aufrechterhalten wird. 

„Mit dem Potenzial, die Grundlage für Quantencomputer zu bilden“, sagte Milton, „würden [superconductor] die Informationsverarbeitung revolutionieren.“

Der derzeit fortschrittlichste Quantencomputer ist der Osprey von IBM. Laut Popular Science handelt es sich dabei um einen 433-Qubit-Quantenprozessor mit einer mittleren Kohärenzzeit von etwa 70 bis 80 Mikrosekunden, der damit dreimal so groß ist wie sein Vorgänger, der Eagle algorithm.

Magnetschwebebahnen

Magnetschwebebahnen sind reibungslose, vollelektrische Züge, die mit hoher Geschwindigkeit von über 300 Meilen pro Stunde über magnetische Schienen schweben. Sie laufen auf zwei Sätzen supraleitender Systeme, eines, um sich auf einer Art Luftkissen vom Boden abzustoßen, und ein anderes, um den Zug vorwärts zu beschleunigen. Sie gelten als „ die effizienteste Form des Bodentransports “. Heute sind nur sechs Magnetschwebebahnen in Betrieb.

Häufig gestellte Fragen