Neuer Supraleiter Magnesiumdiborid
Forscherteams aus Japan, den USA und England stellen Supraleitung noch bei 39 Kelvin vor
In den neuesten Ausgaben von Nature und den Physical Review Letters stellen die Wissenschaftler ihre Experimente mit Magnesiumdiborid vor.
Jun Akimitsu von der Aoyama-Gakuin University in Tokio. S. L. Bud'ko und sein Team vom Ames Laboratory in den USA sowie Colin Gough von der Universität Birmingham und David Cardwell aus Cambridge sind alle an diesem Durchbruch beteiligt und veröffentlichen nun in den beiden Wissenschaftsmagazinen ihre Berichte. Die Physiker hatten sich beim Symposium "Transition Metal Oxides" in Sendai im Januar bereits getroffen und ihre Ergebnisse verglichen. Supraleiter haben eine große Bedeutung für Technik und Wissenschaft, v.a. bei hohen Magnetfeldern und genauen Magnetfeldsmessungen.
Bisher war die Materiallage bei Supraleitung problematisch, da Metalle mit Helium aufwändig gekühlt werden müssen und keramische Werkstoffe oft zu spröde sind. Supraleiter transportieren elektrischen Strom ohne Widerstand, also verlustfrei. Mit diesen Verbindungskabeln können beliebige Distanzen überwunden werden, ohne dass Strom auf der Strecke bleibt. Ebenso könnte Strom ohne jede Einbusse aufbewahrt werden, denkbar sind gigantische Batterien ohne Verfallsdatum.
Theoretisch ist damit ein weltweites Verbundsnetz denkbar, z.B. könnten Sonnenkollektoren in der Wüste auf diese Weise auch Mitteleuropa mit Strom versorgen, oder Windgeneratoren aus der Arktis den Elektrizitätsbedarf amerikanischer Großstädte. Nicht zuletzt könnten Mobilfunksysteme weltweit viel einfacher ausgebaut und umfassende Kabel für Computernetzwerke verlegt werden. Bisher ist das aber wegen der Kühlung mit flüssigem Helium, die bei konventionellen Supraleitern notwendig ist, reine Utopie, denn der Energieaufwand ist zu hoch. Ohne Kühlung kommen keramische Supraleiter aus, sie sind aber teure und komplexe Materialien und deshalb ungeeignet, um verlegbare Kabel aus ihnen zu fertigen.
Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) ist Supraleitung den Physikern seit Anfang der Jahrhunderts bekannt. In gewöhnlichen Metallen wie Blei und Aluminium beträgt die Sprungtemperatur etwa fünf Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt, dann bewegen sich die Elektronen ohne jeden Widerstand durch das Material. In gewöhnlichen Stromleitungen "verschwinden" elektrische Ströme, indem sie das Material erwärmen und sich dadurch die elektromagnetische Energie allmählich in Wärmeenergie umwandelt.
Hochtemperatur-Supraleiter
Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) in Kupferoxiden wurden 1986 von den Nobelpreisträgern J.G. Bednorz und K.A.Müller entdeckt und erreichen Sprungtemperaturen von bis zu 100K. In einer oxidischen Verbindung fanden sie Supraleitung unterhalb einer Sprungtemperatur Tc von etwa 30K. Diese Temperaturen lassen sich verhältnismäßig leicht durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff erreichen. Davor waren immer Tiefsttemperaturen nötig gewesen, um verlustfreien Stromtransport zu ermöglichen. Weitere Forschungen führten schließlich 1996 zum Durchbruch, als amerikanische Physiker in einem Cuprat (YBa2Cu3O7, kurz: Y-123) Supraleitung unterhalb Tc = 92K entdeckten. Erstmals konnte Supraleitung durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff (LN2; Siedepunkt bei Normaldruck: 77K) stabil gehalten werden. HTSL's sind aber aus Metalloxid-Gemischen und für die meisten technischen Anwendungen zu spröde. Weltweit gab es intensive Bemühungen, um wettbewerbsfähige supraleitende Drähte aus Hochtemperatur-Supraleitern herzustellen, aber ohne den durchschlagenen Erfolg. Die Herstellung dieser Drähte funktioniert nur mit einzelnen mikroskopisch kleinen Körnern, die für sich genommen den Strom gut transportieren können, aber im Kabel muss der Strom auch von Korn zu Korn fließen. Die Korngrenzen (Stromtragefähigkeit der Berührungsflächen der Körner) sind um sehr viel geringer als die Stromtragefähigkeit der Körner selbst. Es ist also höchste Zeit für metallische Supraleiter oberhalb von 77 Kelvin.
Unter den metallischen Supraleitern ist bisher Niob-Zinn mit 20K der Spitzenreiter. Die Forscherteams aus aller Welt können nun mit Magnesiumdiborid den Wert mit 39K nahezu verdoppeln. Magnesiumdiborid ist ein billiger Ausgangsstoff, einfach herzustellen und sogar beim Apotheker erhältlich, wie einer der Forscher scherzte. Tatsächlich führt jeder Händler für chemischen Laborzubehör diesen Stoff in Großpackungen. Erstaunlich an der Entdeckung von Magnesiumdiborid ist, dass die amerikanischen Physiker John Hulm und Bernd Matthias in den 50er Jahren viele Kombinationen von Übergangsmetallen prüften, aber offensichtlich dieses Material übersahen.
Immer noch nicht geklärt sind die Mechanismen für Hochtemperatur-Supraleitung. Die Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie (BCS) erklärt zwar die Supraleitung bei tiefen Temperaturen sehr genau, scheitert aber bei hohen Temperaturen. Das ist die nächste große Aufgabe, die für die Wissenschaftler ansteht. "The challenge now is to establish whether superconductivity in the new compound is governed by the BCS theory, which is unlikely given its relatively high transition temperature, or if its origins are more obscure", sagte David Cardwell von der Universität in Cambridge zu PhysicsWeb.
General Electric schätzt den weltweiten Markt allein für superleitende Generatoren auf $20-50 Milliarden innerhalb der nächsten 10 Jahre Washington Post. Aber von Serienproduktion für die Industrie sind die verlustfreien Stromleitungen noch weit entfernt. Erst müssen noch einige Grundfragen geklärt und die praktische Anwendung der neuen Forschungen erprobt werden. "When you hear news like that [the Japanese discovery], you're ready to go," erklärt der Physiker Douglas Finnemore, ein Mitglied des Ames-Iowa State Teams, der Washington Post auf die Frage nach der kommerziellen Umsetzung, aber: "We're nowhere close. This is a long way away."