Der Strom, der aus der Kälte kam

Nun steht die Technologie endlich vor konkreten Anwendungen – vom Motor bis zur neuen Magnetschwebebahn.

Lesezeit: 10 Min.
In Pocket speichern
vorlesen Druckansicht
Von
  • Frank Grotelüschen
Inhaltsverzeichnis

Reinhard Heller steht an der Brüstung und feixt: "Eigentlich ist das da unten eine riesige Thermoskanne", sagt der Physiker vom Forschungszentrum Karlsruhe und zeigt auf einen Edelstahltank. Das brauereikesselgroße Ding ist gut wärmeisoliert, denn in seinem Inneren, gekühlt durch Flüssigstickstoff, herrschen frostigste Temperaturen – es dient als Teststand für so genannte Supraleiter. Das sind Stoffe, die elektrischen Strom bei starker Kälte verlustfrei leiten. Mit dem Gerät schafften Heller und seine Kollegen jüngst einen Weltrekord der besonderen Art: Sie schickten einen Strom von 75.000 Ampere durch eine ungewöhnliche Art von Kabel – einen keramischen Hochtemperatur-Supraleiter.

Seit fast zwei Jahrzehnten schwärmen Forscher von dieser Stoffklasse und deren fantastischen Eigenschaften. 1986 hatten der Deutsche Georg Bednorz und der Schweizer Alexander Müller völlig überraschend entdeckt, dass bestimmte Sorten von Keramik elektrischen Strom schon bei relativ hohen Temperaturen ohne jeden Widerstand leiten. Zuvor kannte man dieses Phänomen der Supraleitung nur von einigen Metallen, wenn sie mit Flüssighelium auf Extremtemperaturen von etwa vier Kelvin (minus 269 Grad Celsius) gekühlt werden. Bei den Keramiken hingegen genügt eine Kühlung mit flüssiger Luft auf rund minus 196 Grad Celsius; das brachte ihnen den Namen "Hochtemperatur-Supraleiter" ein. Bednorz und Müller bekamen 1987 den Nobelpreis für Physik, die Fachwelt verfiel in Euphorie. Die Forscher träumten davon, die Keramiken in Windeseile zu ultrastarken Elektrogeneratoren, verlustfreien Stromkabeln und schnellen Transistoren zu verarbeiten.

Doch zunächst täuschte die Hoffnung: Die Produktion der wundersamen Oxidkeramiken erwies sich als schwierig, ihr Werkstoffverhalten als widerspenstig. Erst jetzt - fast 20 Jahre nach ihrer Entdeckung – stehen die Keramikkristalle an der Schwelle zur Markteinführung. In einigen Jahren, so hofft die Zunft, sollen Schiffsmotoren, Netzkabel, Magnetsensoren und womöglich gar neuartige Schwebebahnen auf Supraleiter- Basis endlich für merkliche Umsätze sorgen.

Der Durchbruch auf Raten hat seine Gründe: Ähnlich wie Porzellan sind Hochtemperatur-Supraleiter äußerst spröde, zudem zerbröseln sie leicht. Deshalb mussten die Experten ein völlig neues Know-how entwickeln, um sie zu Drähten verarbeiten zu können – eine unabdingbare Voraussetzung für viele Anwendungen. Den entscheidenden Trick schauten sich die Forscher von der Glasfaser ab. "Gewöhnliches Glas bricht, wenn man es biegt", sagt Wolfgang Nick, Physiker bei Siemens in Erlangen. "Doch verarbeitet man das Glas zu einer dünnen Faser, lässt es sich bis zu einem bestimmten Grad biegen." Bei den Supraleitern betten die Ingenieure feinste Filamente einer wismuthaltigen Keramik in einen Flachdraht aus Metall ein. "Heute lässt sich das Zeug kilometerweise verarbeiten", erläutert Nick. "Mit diesen Drähten schaffen wir einen Stromfluss von 100 Ampere pro Quadratmillimeter Querschnitt, ein gleich dickes Kupferkabel bringt es auf gerade drei Ampere."

Wickelt man diese Drähte zu Spulen, lassen sich kompakte und überaus kräftige Elektromotoren bauen. In diesen Motoren herrscht allerdings ein Magnetfeld von einigen Tesla – gekühlt mit Flüssigstickstoff würde die Supraleitung bei solch starken Feldern zusammenbrechen. "Also müssen wir sie mit Flüssigneon auf minus 250 Grad Celsius kühlen", sagt Nick. "Dennoch ist das ein guter Deal. Kältemaschinen für Neon sind deutlich kleiner als Aggregate für Helium, und damit wird die Sache machbar."

Einen mit 400 Kilowatt noch relativ kleinen Prototypen hat Siemens drei Jahre lang getestet. Der Motor besteht wie üblich aus dem Rotor, dem rotierenden Teil, und dem festen Teil, Stator genannt - aber der supraleitende Rotor erzeugt höhere Magnetfelder als ein normalleitender. Seit August letzten Jahres ist bei Siemens ein neues, immerhin vier Megawatt starkes Aggregat auf dem Versuchsstand. Dessen Vorteil: Es ist nur halb so groß und schwer wie ein gewöhnlicher Elektromotor und könnte künftig auf einem Schiff für den Bordstrom sorgen. "Platz zählt zum Wertvollsten an Bord", sagt Nick. Weiter ist man in den USA: Dort kreuzt eine Fregatte der Navy bereits mit einem Fünf-Megawatt-Motor der Firma American Superconductor durch die Wogen - ein Nebenantrieb für Schleichfahrten im Feindgebiet. Für dieses Jahr haben die Militärs sogar ein 36,5-Megawatt-Aggregat bestellt.