Entwicklungspotential Supraleitung – Stromleitung ohne Eigenverlust

Weltweit sind über 1000 supraleitende Legierungen und Verbindungen bekannt. Nach der Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter erforschte man intensiv diese und fand schnell weitere supraleitende Materialien: Yttrium-Cuprate 1987 und 1996 der keramische Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7, mit einer Übergangstemperatur von 92K (-181°C). Die Physiker und Ingenieure machten sich bereits Visionen über den Einsatz der Hochtemperatursupraleiter in MHD-Generatoren, die Wasserstoff verbrennen und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrades von nachhaltig funktionierenden Kraftwerken, oder Stromspeichern hoher Kapazität sowie in zahlreichen anderen Maschinen und Geräten. Als besonders lästig stellte sich indes heraus, dass die keramischen Werkstoffe die Eigenschaft der Supraleitung verlieren, sobald sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind – für viele technische Anwendungen ist aber gerade dies erforderlich. Hinzu kommt, dass die keramischen Supraleiter für die Spulenherstellung äußerst schwierig zu handhaben sind. Es ist noch nicht geklärt, inwieweit die neuen Materialien zu brauchbaren Werkstoffen zu machen sind – fest und hinreichend elastisch, um sie zu Leitungsdraht oder anderen Formen verarbeiten zu können. Der Stromfluss wird behindert, wenn das äußere Magnetfeld den Supraleiter in Form einzelner Bündel - sogenannter Flusslinien – durchdringt und diese sich bewegen. Nur wenn man weiß, wie diese Drift zustande kommt und wie sich die Flusslinien bei unterschiedlichen Temperaturen und Magnetfeldstärken anordnen, wird man das höchst unerwünschte Phänomen beeinflussen und den supraleitenden Stromfluss aufrechterhalten können. Eine Methode dies genauer zu untersuchen bietet die Abscheidung dünnster Schichten und deren Untersuchung mittels diverser Dünnschichtanalyseverfahren. So lassen sich beispielsweise direkt aus Helmholzionenquellen supraleitende Hochtemperaturschichten im Nanometer-Bereich abscheiden und mittels Röntgenstrahl-Diffraktiometrie die Bewegung der Flusslinien untersuchen in Abhängigkeit von der Temperatur untersuchen. Mit Hilfe von Supraleitermagneten lassen sich auch auf einzigartige Weise tiefe Temperaturen erreichen. Unterhalb ihrer Curie-Temperatur richten sich die Moleküle in para- und ferromagnetischen Stoffen parallel zu magnetischen Feldern aus: Die thermischen Zufallsbewegung ist dann nicht mehr wirksam. Bringt man solche Stoffe in ein Magnetfeld, erwärmen sie sich; schaltet man das Feld wieder ab, kühlen sie wieder ab. Dieser magnetokalorische Effekt lässt sich in Wärmepumpen nutzen. Ein guter Wirkungsgrad erfordert dabei jedoch Feldstären von etwa 10 Tesla, die sich mit Hochtemperatorsupraleitern noch nicht erzielen lassen. In der Praxis bereits angewandt sind supraleitende Quanteninterferenzelemente, kurz SQUID, hergestellt mit Verfahren der Dünnschichttechnologie. Diese Elemente reagieren sehr empfindlich auf Änderungen des elektromagnetischen Feldes. In der Magnetoenzephalographie verwendet man SQIDS, um durch die Gehirnaktivität erzeugte Magnetfelder zu kartographieren. Mit der Magnetoenzephalographie kann man Gehirnsignale auffangen, die nur weniger als 10-13 Tesla sidn, und ihren Entstehungsort auf wenige Zehntel Millimeter genau bestimmen kann. Mit SQIDS hat man darüber hinaus Frequenzen bis hin zu 1011 Hertz nachweisen können, die an das Quantenlimit heranreicht – das bedeutet, dass sich fast jedes Elektron nachweisen lässt, das ein Photon absorbiert hat. Um die Innovationen, die die Hochtemperatursupraleitung bietet, ist es erforderlich, dass Materialwissenschaftler, Physiker und Ingenieure eng kooperieren, um deren Potential unter nachhaltigen Aspekten umzusetzen.