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Was ist ein Supraleiter?
Ein Supraleiter ist ein Material, das elektrischen Strom ohne jeglichen Energieverlust durchleitet. Normale Leiter wie Kupferdrähte besitzen einen elektrischen Widerstand, der dazu führt, dass sie sich erhitzen, wenn Strom durch sie fließt.
Im Gegensatz dazu haben Supraleiter keinen Widerstand, sodass sie sich nicht erhitzen, wenn Strom durch sie fließt. Dieses Phänomen, bekannt als Supraleitung, ist tief in der Quantenmechanik verwurzelt.
Geschichte
Das Konzept der Supraleitung wurde erstmals 1911 von dem niederländischen Wissenschaftler Heike Kamerlingh Onnes entdeckt, der die Physik bei niedrigen Temperaturen erforschte. Onnes stellte fest, dass Quecksilber, wenn es auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, elektrischen Strom ohne Widerstand oder Energieverlust leiten kann.
Die Experimente und Entdeckungen von Onnes legten den Grundstein für spätere Physiker: Bei extrem niedrigen Temperaturen werden quantenmechanische Effekte ausgeprägter, und das Verhalten der Elektronen wird durch die Gesetze der Quantenmechanik und nicht der klassischen Physik bestimmt.
Wie Supraleiter funktionieren
Die meisten Materialien müssen sich in einem sehr energiearmen Zustand befinden, um supraleitend zu sein.
Wenn ein elektrischer Strom bei Raumtemperatur durch einen normalen Leiter wie Kupfer fließt, interagieren die Elektronen mit Vibrationen im Atomgitter des Kupfers. Diese Interaktion verursacht Widerstand und führt dazu, dass Energie in Form von Wärme verloren geht.
Fließt ein elektrischer Strom jedoch durch einen Leiter bei extrem niedrigen Temperaturen, können sich die Elektronen zu Paaren verbinden, die sich durch das Atomgitter des Leiters bewegen, als wären sie ein einziges Teilchen. Dies reduziert oder eliminiert die Fähigkeit der Elektronen, mit den Gittervibrationen zu interagieren.
Diese fehlende Interaktion mit den Gittervibrationen (Phononen) ist ein entscheidender Faktor, der zum Fehlen des elektrischen Widerstands in Supraleitern führt.
Typ I und Typ II Supraleiter
Es gibt zwei Kategorien von Supraleitern: Typ I und Typ II.
- Ein Typ-I-Supraleiter besteht aus leitenden Elementen, die bei Standarddruck eine kritische Temperatur zwischen 0,000325 K und 7,8 K haben.
- Typ-II-Supraleiter hingegen bestehen hauptsächlich aus metallischen Legierungen und Verbindungen, die bei höheren Temperaturen supraleitend werden.
Der Hauptunterschied zwischen Typ I und Typ II liegt in ihrem Verhalten gegenüber Magnetfeldern. Typ-I-Supraleiter stoßen unterhalb eines bestimmten kritischen Feldes sämtlichen magnetischen Fluss ab, während Typ-II-Supraleiter innerhalb bestimmter Bereiche magnetischen Fluss aufnehmen können.
Der Meißner-Effekt, bei dem ein Supraleiter nahezu alle Magnetfelder aus seinem Inneren verdrängt, wenn er unter eine bestimmte kritische Temperatur abgekühlt wird, tritt sowohl bei Typ-I- als auch bei Typ-II-Supraleitern auf. Der Meißner-Effekt verhält sich jedoch unterschiedlich in Typ-I- und Typ-II-Supraleitern.
- Typ I: Bei Typ-I-Supraleitern, die normalerweise elementare Supraleiter wie Blei und Quecksilber sind, ist der Meißner-Effekt sehr ausgeprägt. Diese Supraleiter zeigen einen scharfen Übergang von ihrem Normalzustand in den supraleitenden Zustand und stoßen Magnetfelder vollständig ab, wenn die Temperaturen unter den Übergangspunkt fallen.
- Typ II: Bei Typ-II-Supraleitern, die oft Verbundwerkstoffe sind, ist der Übergang vom Normalzustand in den supraleitenden Zustand allmählich. Die meisten Anwendungsfälle und praktischen Anwendungen von Supraleitern basieren heute auf Typ-II-Supraleitern, da sie stärkere Magnetfelder tolerieren können, bevor sie vom supraleitenden Zustand in den Normalzustand übergehen.
Supraleiter bei Raumtemperatur
Trotz des enormen Potenzials der Supraleitung gibt es bedeutende Herausforderungen bei der praktischen Anwendung von Supraleitern. Eine der größten Hürden sind die hohen Kosten. Aktuelle Supraleiter erfordern energieintensive Kühlmethoden, um die nötigen niedrigen Temperaturen zu erreichen und aufrechtzuerhalten.
Um dieses Problem zu lösen, suchen Wissenschaftler nach neuen Verbindungen, die Supraleitung bei (oder nahe) Raumtemperatur zeigen können.
Einige theoretische Physiker nutzen fortschrittliche Rechenmethoden wie Quantensimulationen, um das Verhalten von Materialien unter extremen Bedingungen zu modellieren und potenzielle Kandidaten für Supraleitung bei Raumtemperatur zu identifizieren.
Obwohl einige Forschungsergebnisse für Aufsehen gesorgt haben, ist bislang kein Material bekannt, das bei oder nahe Raumtemperatur (etwa 20-25°C bzw. 68-77°F) Supraleitung aufweist.
Anwendungsbereiche für Supraleiter heute
Heute werden Supraleiter zur Herstellung leistungsstarker und effizienter Elektromagnete für verschiedene Anwendungen genutzt.
Ein Elektromagnet ist eine Art von Magnet, der durch das Leiten eines elektrischen Stroms durch ein leitfähiges Material erzeugt wird. Der elektrische Strom erzeugt ein Magnetfeld um das Material, wodurch es zu einem temporären Magneten wird. Die Stärke des erzeugten Magnetfelds kann durch die Anpassung der Strommenge gesteuert und bei Bedarf ein- und ausgeschaltet werden.
Supraleitende Magnete bieten im Vergleich zu herkömmlichen Magneten stärkere und kontrollierbare Magnetfelder.
Sie sind äußerst energieeffizient aufgrund ihres fehlenden Widerstands, was sie für den dauerhaften Einsatz kostengünstig macht. Ihre Vorteile erstrecken sich über medizinische, wissenschaftliche und transporttechnische Bereiche, darunter:
- Magnetresonanztomographie (MRT): Supraleitende Magnete werden in MRT-Geräten verwendet, um starke und stabile Magnetfelder für die medizinische Bildgebung zu erzeugen.
- Teilchenbeschleuniger: Supraleitende Radiofrequenz-Kavitäten werden in Teilchenbeschleunigern wie dem CERN Large Hadron Collider (LHC) eingesetzt, um Teilchen effizienter auf hohe Energien zu beschleunigen.
- Magnetschwebebahnen (Maglev-Züge): Supraleitende Materialien ermöglichen es Maglev-Zügen, über den Gleisen zu schweben, was durch die Verringerung der Reibung einen schnellen und energieeffizienten Transport ermöglicht.
- Wissenschaftliche Forschung: Supraleiter werden in verschiedenen wissenschaftlichen Instrumenten und Experimenten eingesetzt, wie z.B. in Hochenergie-Physik-Experimenten und der Kernspinresonanzspektroskopie.
- Elektromagnete für die Fusionsforschung: Supraleitende Magnete werden in experimentellen Fusionsreaktoren wie Tokamaks verwendet, um Plasma bei extrem hohen Temperaturen zu kontrollieren und zu halten.
- Magnetoenzephalographie (MEG): Supraleitende Sensoren werden in MEG-Systemen eingesetzt, um die Gehirnaktivität durch Messung der von neuronalen Strömen erzeugten Magnetfelder zu kartieren.
Beispiele für Supraleiter
Hier sind einige Beispiele von Supraleitern, die heute verwendet werden:
- Quecksilber: Wird bei -269 Grad Celsius (-452 Grad Fahrenheit) supraleitend.
- Niob: Wird bei -245 Grad Celsius (-410 Grad Fahrenheit) supraleitend.
- Magnesiumdiborid: Wird bei -195 Grad Celsius (-319 Grad Fahrenheit) supraleitend.
- Yttrium-Barium-Kupferoxid: Wird bei -92 Grad Celsius (-136 Grad Fahrenheit) supraleitend.
- Eisen-Pnictide: Werden bei -55 Grad Celsius (-67 Grad Fahrenheit) supraleitend.
Die Zukunft der Supraleiter
Supraleiter könnten die Energieverteilung revolutionieren, indem sie Strom über größere Entfernungen mit minimalen Verlusten übertragen.
Weitere vielversprechende Anwendungen umfassen:
- Teilchenbeschleuniger: In großen Teilchenbeschleunigern, wie sie in der Teilchenphysik verwendet werden, sind starke Magnetfelder erforderlich, um die beschleunigten Teilchen zu lenken und zu kontrollieren. Supraleitende Magnete ermöglichen stärkere und stabilere Magnetfelder und verbessern die Leistung dieser Beschleuniger.
- Stromerzeugung: Supraleitende Generatoren könnten mehr Strom aus derselben Menge mechanischer Energie erzeugen und somit effizientere und nachhaltigere Energiesysteme ermöglichen.
- Elektronik: Supraleiter finden Anwendung in speziellen elektronischen Geräten, wie z.B. in Supraleitenden Quanteninterferenz-Geräten (SQUIDs), die extrem empfindliche Magnetometer sind und in wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen verwendet werden.
- Quantencomputer: Supraleitende Qubits sind vielversprechende Kandidaten für den Bau von Quantencomputern, die die Computertechnologie revolutionieren könnten, indem sie komplexe Probleme in Bereichen wie Kryptographie lösen.
