Supra-Neuigkeiten

Kalzium verbessert Supraleitfähigkeit

Die Hochtemperatur-Supraleiter sind immer wieder für Überraschungen gut. Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler an neuen Materialien für den möglichst verlustlosen Transport von elektrischem Strom. Ein internationales Team von Materialforschern hat die Mechanismen der Vermischung des Hochtemperatursupraleiters YBCO (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid) mit Kalzium untersucht und dabei festgestellt, dass auch andere Materialien, deren Ionen eine ähnliche Form und Größe haben, verwendet werden könnten.

Bereits 1911 hatte der spätere Nobelpreisträger Heike Kamerlingh Onnes entdeckt, dass stark tiefgekühltes Quecksilber supraleitend wird. Bei weniger als 4 Kelvin (minus 270 Grad Celsius) leitet das Material elektrischen Strom verlustlos, also ohne Widerstand und sich dabei zu erwärmen.

Elektrischer Widerstand verursacht Verluste bei der Übertragung von Strom, d.h. bei herkömmlichen Stromleitungen geht Energie verloren, weil das Material sich erwärmt und sich dadurch allmählich ein Teil der elektromagnetischen Energie in Form von Wärmeenergie verflüchtigt. Dagegen kann in einem ringförmig gestalteten Supraleiter der Strom tage- oder monatelang fließen, ohne an Stromstärke zu verlieren.

YBCO-Dünnfilme abgebildet mit Rastersondenmikroskopie (Bild: Uni Augsburg)

In den nächsten Jahren entdeckten die Physiker, dass nahe um den absoluten Temperaturnullpunkt (0 Kelvin oder minus 273 Grad Celsius) in Metallen der Widerstand erlischt. Diese so genannte Sprungtemperatur (die Temperatur, bei der ein Material in den supraleitenden Zustand übergeht) liegt allerdings so niedrig, dass die notwendige intensive Kühlung die praktischen Einsatzmöglichkeiten stark begrenzte.

Das änderte sich 1986, als die Nobelpreisträger J.G. Bednorz und K.A. Müller die Hochtemperatur-Supraleitung (HTSL) in Kupferoxiden entdeckten, Materialien mit Sprungtemperaturen von bis zu 30 Kelvin (minus 243 Grad Celsius). Ein Jahr später erwies sich Yttrium-Barium-Kupferoxid, eine Verbindung aus Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff ab einer Temperatur von 90 Kelvin (minus 183 Grad Celsius) als supraleitend. Jetzt war es möglich, die neuen Supraleiter mit flüssigem Stickstoff (Siedetemperatur 77 Kelvin oder minus 196 Grad Celsius) zu kühlen. Stickstoff kostet zwanzig Mal weniger als das flüssige Helium, das zur Kühlung herkömmlicher Supraleiter notwendig ist.

Seither wurden immer neue Materialien geschaffen, die möglichst reibungslos Strom transportieren. Eine Revolution war vor vier Jahren die Entdeckung der supraleitenden Eigenschaften von Magnesiumdiborid, eines günstigen und simplen Stoffes, der in vielen Laboren verwendet wird (Neuer Supraleiter Magnesiumdiborid). Seine Sprungtemperatur beträgt 39 Kelvin (minus 234 Grad Celsius). Inzwischen arbeiten Firmen daran, Kabel aus Magnesiumdiborid herzustellen (UK firms work on superconductors).

Supraleiter werden bisher vor allem in der naturwissenschaftlichen Forschung und in der Medizin eingesetzt. Eine schon klassische Anwendung des Phänomens sind die Magnetspulen in Kernspintomografen. In Zukunft sollen Supraleiter vor allem in der Energietechnik, also in Kabeln, Motoren, Generatoren, Transformatoren und Strombegrenzern eingesetzt werden.

Bislang sind die Hochtemperatursupraleiter allerdings noch sehr teuer und aufwändig in der Verarbeitung, weswegen weltweit an neuen Werkstoffen und Herstellungsverfahren geforscht wird, um sie kostengünstiger und damit wirtschaftlicher verwenden zu können (Supraleitende Kabel...). Inzwischen wurden in der Praxis funktionierende Hochtemperatursupraleitungskabel bereits in China, Dänemark, Japan und Mexiko demonstriert (Übersichtsartikel Physics today April 2005: Hochtemperatur-Supraleiter-Grundlagenforschung führt zu Produkten). In den USA wurde bereits 2001 in Detroit das erste Netz von Supraleiter-Kabeln in Betrieb genommen (Widerstand ist zwecklos).

Experten schätzen, dass bei gleichem Kabelquerschnitt im Vergleich mit herkömmlichen Kupferkabeln das Fünffache an Strom durch Supraleiter-Kabel übermittelt werden kann. Künftig sollen elektrische Systeme, zum Beispiel Motoren oder Generatoren, mithilfe der neuen Technik bis zu 70 Prozent kleiner und leichter konstruiert werden können.

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature stellen jetzt Robert F. Klie vom Brookhaven National Laboratory (BNL) und Kollegen aus den USA, Japan und Deutschland ihre Untersuchungen zur gezielten Beimengung von Kalzium zum Supraleiter Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) vor. Dieser Werkstoff leitet Elektrizität besser, wenn Kalziumionen beigemengt werden. Der Nachteil ist, dass dadurch die Sprungtemperatur gesenkt wird. Warum das so ist, wissen die Forscher immer noch nicht ganz genau, denn die Mechanismen der Supraleitung sind immer noch nicht vollständig verstanden, obwohl es bereits vier Mal den Nobelpreis für Physik für Forschungen in diesem Bereich gab (Widerstand lass nach! und Rein elektronische Kopplung?).

Hochtemperatur-Supraleiter sind kompliziert zu verarbeitende Materialien mit einigen Nachteilen. YBCO ist spröde und besteht aus winzigen kristallinen Körnern, die zwar jeweils einzeln Elektrizität ohne Widerstand transportieren, aber in einem Kabel muss der Strom auch von Korn zu Korn fließen. Die Stromtragefähigkeit der Berührungsflächen der einzelnen Körner, Korngrenzen genannt, ist jedoch um ein Vielfaches geringer als die der Körner selbst. Die Abstände zwischen den Körner bremsen den Stromfluss aus. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, wird immer wieder sehr kostenintensiv versucht, die Körner möglichst parallel zueinander auszurichten (Optimierung von Bandsupraleitern aus Hochtemperatursupraleitern). Die Korngrenzen sind ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit von Supraleitern.

Strukturelle Unterschiede auf der atomaren Ebene zwischen oben: reinem YBCO und unten: mit Kalzium angereichertem YBCO (Bild: Nature / Brookhaven National Laboratory)

Mithilfe von Kalzium wird eine verbesserte Supraleitung in YBCO erreicht, da die Struktur der elektrischen Leitfähigkeit sich an diesen Grenzen verändert. Die neue Untersuchung von Klie und Kollegen zeigte nun, dass die Position der Kalziumatome anders ist, als die Wissenschaftler bisher angenommen hatten. Die veränderte chemische Struktur des mit Kalzium angereicherten YBBO führt zur gesteigerten Supraleitfähigkeit. Robert Klie erklärt: „An den Grenzen der YBCO-Körner ersetzen die Kalziumatome einige der Barium- und Kupfer-Atome. Da, wo die Atome dicht aneinander gepackt sind, ersetzt ein Kalzium-Atom ein größeres Barium-Atom und schafft so mehr Platz. Umgekehrt ersetzt das Kalzium dort, wo die Atome nicht so dicht aneinander gepackt sind, ein kleineres Kupfer-Atom, das die angespannte Lage der Umgebung entlastet hat“.

Die atomare Struktur verändert sich dadurch so, dass es mehr Passagen für die elektrische Ladung zwischen den Körnern gibt. Die Forscher sind sich sicher, dass auch durch die Beimengung anderer Metalle, wie z.B. Silber oder Europium der gleiche Effekt erreicht werden könnte. "Dieses Ergebnis ist überraschend, weil wir dachten, dass nur Kalzium die Korngrenzen-Leitfähigkeit von YBCO steigern könnte, aber unsere Entdeckung bedeutet, dass ähnlich geformte Elemente gleichwertig oder sogar noch effektiver sein könnten“, erläutert Robert Klie. (Andrea Naica-Loebell)

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