Supraleiter: Aufbau, Herstellung, Probleme

Supraleiter: Aufbau, Herstellung, Probleme

 

Bei der Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit keramischer Materialien kam es Ende der 1980er-Jahre zu einem unerwarteten Durchbruch in einem ganz anderen Forschungsbereich: Die Supraleitung rückte mit einem Schlag vom Status eines Laborphänomens in den Bereich der technischen Anwendbarkeit. Entdeckt worden war dieser Effekt bereits 1911 von dem Niederländer Heike Kamerlingh Onnes, der dafür 1913 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet worden war. Kamerlingh Onnes hatte damals Quecksilber mithilfe von flüssigem Helium bis auf eine Temperatur von vier Grad über dem absoluten Nullpunkt — das sind —269 Grad Celsius — abgekühlt und dabei die Veränderung des elektrischen Widerstands gemessen. Dabei hatte er festgestellt, dass bei einer bestimmten Temperatur, die heute als Sprungtemperatur bezeichnet wird, der elektrische Widerstand plötzlich verschwindet und eine verlustfreie Stromleitung möglich wird. Bereits wenige Jahre später kannte man zahlreiche Materialien, die bei Abkühlung auf Temperaturen unter etwa —250 Grad Celsius supraleitend wurden. Man nahm damals an, dass diese Temperatur so etwas wie eine »magische Grenze« für die Supraleitung darstellte und höhere Sprungtemperaturen nicht möglich wären. Da die Herstellung flüssigen Heliums, des einzigen in diesem Kältebereich verfügbaren Kühlmittels, schwierig und teuer ist, blieben Anwendungen des Effekts auf die Versuchslaboratorien der Grundlagenforschung beschränkt.

 

Trotz des Booms der keramischen Materialien in den 1970er- und 1980er-Jahren, als dem altbekannten Werkstoff eine Fülle neuartiger Eigenschaften entlockt wurde, kam die Entdeckung der Supraleitung bei Keramiken völlig überraschend. 1986 stellten der Physiker Alex Müller und der Mineraloge Georg Bednorz vom IBM-Forschungsinstitut in Zürich fest, dass die als Lanthanbariumkupferoxid bezeichnete Substanz supraleitende Eigenschaften unterhalb einer Sprungtemperatur von —238 Grad Celsius aufweist, damals ein beachtlicher Rekord. Die Veröffentlichung ihrer Ergebnisse brachte den beiden Wissenschaftlern nicht nur den Physiknobelpreis ein, sondern eröffnete auch die Jagd nach neuen Supraleitern mit immer höheren Sprungtemperaturen. Bereits 1987, nur ein knappes Jahr nach den Experimenten von Müller und Bednorz, wurde bekannt, dass Yttriumbariumkupferoxid (Kurzbezeichnung YBKO) eine Sprungtemperatur von —180 Grad Celsius besitzt — eine Temperatur, die durch Kühlung mit dem in Labor und Industrie weit verbreiteten flüssigen Stickstoff (Siedetemperatur: —196 Grad Celsius) leicht erreicht werden kann. Bei diesen Substanzen handelt es sich um eine der inzwischen berühmt gewordenen 1-2-3-Verbindungen, bei denen die Abfolge der Ziffern das mengenmäßige Verhältnis der Elemente, in diesem Fall Yttrium zu Barium zu Kupfer, angibt. Mittlerweile sind keramische Materialien bekannt, deren Sprungtemperaturen bei etwa —116 Grad Celsius, also mehr als 150 Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur, liegen — daher der Name »Hochtemperatursupraleiter«. Die Vision, ein großtechnisch einsetzbares Material finden zu können, das verlustfrei elektrischen Strom leitet, war damit ihrer möglichen Realisierung ein ganzes Stück näher gekommen — aber das Ziel ist noch längst nicht erreicht.

 

 Wie funktioniert ein Hochtemperatursupraleiter?

 

Die bislang bekannten Hochtemperatursupraleiter (HTSL) verhalten sich nicht wesentlich anders als andere supraleitende Materialien: Bei Raumtemperatur sind sie zwar auch schon elektrisch leitfähig, weisen jedoch einen deutlichen elektrischen Widerstand auf, der bei Abkühlung auf Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur schlagartig zusammenbricht. Dabei sind die einzelnen Bestandteile der HTSL-Keramiken, Substanzen wie Lanthanoxid, Bariumoxid oder Kupferoxid, als Einzelsubstanzen eher schlechte elektrische Leiter. In der Kombination jedoch ergeben sie Materialien, in denen der Strom bei tiefen Temperaturen extrem gut geleitet wird. Wie passt das zusammen?

 

Die besonderen Eigenschaften der Hochtemperatursupraleiter werden durch ihr Gefüge hervorgerufen. Alle bekannten HTSL-Materialien besitzen einen zumindest prinzipiell ähnlichen Aufbau, bei dem ebene Schichten aus Kupferoxid in Schichten mit andersartigem Aufbau eingebettet sind. Man bezeichnet diese Kristallstruktur als Perowskitstruktur. Bei Erreichen der Sprungtemperatur bilden diese Kupferoxidschichten ebene Leitungsbahnen, in denen sich die Elektronen gut voranbewegen können. Senkrecht zu diesen Ebenen ist die elektrische Leitfähigkeit allerdings deutlich reduziert und beträgt auch im supraleitenden Zustand nur einen Bruchteil der Leitfähigkeit entlang der Ebene.

 

Die Entwicklung der HTSL begann mit Lanthankupferoxid, dessen chemische Formel La₂CuO₄ anzeigt, dass die Verbindung pro zwei Lanthanatomen ein Kupfer- und vier Sauerstoffatome besitzt. Ersetzt man in dieser Verbindung Kupferatome durch die Erdalkaliatome Lanthan, Barium und Calcium, so entstehen Supraleiter. Einen sehr ähnlichen Aufbau besitzen auch die modernen Nachfahren dieser Substanz: Die bereits erwähnten 1-2-3-Verbindungen weisen ein bestimmtes Zahlenverhältnis dreier Elemente auf, wie etwa das Yttrium, Barium und Kupfer enthaltende Material YBa₂Cu₃O₇, der erste Supraleiter mit einer Sprungtemperatur oberhalb von —196 Grad Celsius. In ihm sind pyramidenförmige Polyeder von Kupfer und Sauerstoff durch ebene Lagen von Yttrium und Barium voneinander getrennt. Entfernt man aus jeder Elementarzelle auch nur ein Sauerstoffatom — die chemische Formel der neuen Verbindung ist dann YBa₂Cu₃O₆ —, so wird die Keramik zu einem Isolator; denn die Rauten formen sich zu Stäben um, wodurch die Elektronen so über die Sauerstoffatome verteilt werden, dass keine Elektronen mehr für die Stromleitung zur Verfügung stehen.

 

Dieses Bauprinzip, in dem Kupfer und Sauerstoff in Pyramidenform durch ein Metall- oder Erdalkaliatom getrennt werden und nach oben weitere metallische Schichten folgen, ist grundlegend für fast alle Hochtemperatursupraleiter. Bis weit in die 1990er-Jahre gingen viele Wissenschaftler sogar davon aus, dass Kupfer eine notwendige Voraussetzung für die Supraleitung darstellt, obwohl bereits frühzeitig andere Beispiele existierten. So wurde bereits 1988 eine aus Barium, Bismut und Sauerstoff bestehende Substanz beschrieben, die etwa bei —243 Grad Celsius supraleitend wurde. Sie deutet, wie auch andere Beispiele, an, dass möglicherweise noch ganz andere Klassen von Hochtemperatursupraleitern existieren, die aus noch unbekannten Elementmischungen aufgebaut sind und die nur darauf warten, entdeckt zu werden.

 

Die jüngsten erfolgreichen Entwicklungen, in denen Thallium oder Quecksilber mit Barium, Calcium, Kupfer und Sauerstoff in Verbindung gebracht werden, folgen allerdings dem oben beschriebenen Bauplan. In einer Beziehung hat die Wissenschaft damit einen großen Bogen geschlagen und ist wieder bei den Anfängen angelangt: Quecksilber, das Element, bei dem zum ersten Mal Supraleitung beobachtet wurde, ist auch im aktuellen Temperaturrekordhalter vertreten.

 

 Aspekte der Herstellung von Supraleitern

 

Ein Wissenschaftler beschrieb das Ende der 1980er-Jahre mit seiner im Feld der Supraleitung herrschenden Goldgräberstimung als die Zeit, in der jeder, der ein chemisches Periodensystem und einen Brennofen besaß, versuchte, einen neuen Hochtemperatursupraleiter zu backen. Zum Entstehen dieser Stimmung trugen drei Faktoren bei: Erstens ermöglichte die hohe Sprungtemperatur die Kühlung mit flüssigem Stickstoff, der auch in kleinen Laboren immer verfügbar ist, zweitens wäre ein bei Zimmertemperatur supraleitender Werkstoff vermutlich tatsächlich deutlich wertvoller als Gold. Der dritte Grund aber liegt in der vergleichsweise einfachen Herstellung dieser Keramiken: Das Rezept ist im Prinzip so einfach, dass es bereits Studierende im Praktikum oder sogar Schüler im Physik- oder Chemieleistungskurs anwenden können; verglichen mit den riesigen Teilchenbeschleunigern oder Weltraumteleskopen, die sonst an der »vordersten Front« der Wissenschaft benötigt werden, muss hier ein wesentlich geringerer Aufwand getrieben werden.

 

Inzwischen ist die Begeisterung etwas abgeflaut. Dies hat weniger damit zu tun, dass man von Sprungtemperaturen bei Raumtemperatur immer noch recht weit entfernt ist, sondern mit einer ganz anderen Schwierigkeit. Das Problem bei der technischen Umsetzung der wissenschaftlichen Erkenntnisse ist nämlich nicht so sehr die Herstellung neuer, sondern die großtechnische Produktion der bekannten Supraleiter. Die keramischen Hochtemperatursupraleiter sind in der Regel extrem spröde und lassen sich nur schlecht formen. Zudem enthalten die jüngsten Hochtemperatursupraleiter giftige Schwermetalle wie Thallium oder Quecksilber, deren Verarbeitung mit großen Umweltproblemen verbunden ist.

 

Dabei ist die Technik der Hochtemperatursupraleitung mit größten Erwartungen verbunden. Die Sprungtemperaturen sind so hoch, dass man Überlandleitungen aus Hochtemperatursupraleitern, wie bereits erwähnt, mit flüssigem Stickstoff kühlen könnte. Sollten noch höhere Sprungtemperaturen erreicht werden, könnten sie sogar mit herkömmlichen Kältemaschinen gekühlt werden. In der Euphorie der ersten Stunden begannen daher zahlreiche Energieversorgungsunternehmen mit Studien, in denen vielfältigste Szenarien entwickelt wurden, die den verlustfreien Stromtransport beschrieben. So war etwa geplant, Keramikrohre zu entwickeln, in denen flüssiger Stickstoff zirkulierte. Im Erdreich verlegt sollten sie die heutigen Überlandleitungen ersetzen, die derzeit auf einer 150 Kilometer langen Strecke oft mehr als 50 Prozent Leistungsverluste aufweisen.

 

 Technische Probleme

 

Ihre oft beschworene Schlüsselrolle in einer neuen zukünftigen Energietechnik können die Supraleiter nur dann erfüllen, wenn es gelingt, mit ihrer Hilfe den Strom verlustfrei und mit hoher Dichte über weite Strecken zu leiten. Im Laufe der Zeit stellte sich allerdings heraus, dass diese Hoffnungen so rasch nicht erfüllt werden konnten. Das Problem sind die erforderlichen Stromdichten.

 

Fließender Strom erzeugt immer ein Magnetfeld, und die supraleitenden Elektronen treten mit diesem Magnetfeld wieder in Wechselwirkung. Daher bricht die Supraleitung wieder zusammen, wenn die Stromdichte einen kritischen Wert übersteigt. Im Labor wurden mit kurzen supraleitenden Strecken bei —196 Grad Celsius bereits Stromdichten von 35 000 Ampere pro Quadratzentimeter erreicht; bei —269 Grad Celsius schaffte man sogar 200 000 Ampere pro Quadratzentimeter, das ist einige Dutzend Mal mehr als bei herkömmlichen Kupferkabeln. Bei vielen metallischen Supraleitern, Typ-I-Supraleitern, bricht die Supraleitung allerdings schon bei sehr geringen äußeren Magnetfeldern zusammen. Typ-II-Supraleiter, zu denen die keramischen Hochtemperatursupraleiter zählen, vertragen höhere Magnetfelder; doch bei einer Feldstärke von 0,01 Tesla (immerhin das 200fache des Erdmagnetfeldes) verlieren auch sie ihre Supraleitfähigkeit. Einen Ausweg könnte eine Dotierung der Hochtemperatursupraleiter mit Fremdatomen bieten, die äußere Magnetfelder am Eindringen in den Supraleiter hindern würden. Im Labor konnten so Hochtemperatursupraleiter geschaffen werden, die noch bei neun Tesla die erwünschten hohen Stromdichten zeigten (die weltweit stärksten Dauermagneten haben Felder von zehn bis fünfzehn Tesla). Die Übertragung von Stromdichten unter realen Bedingungen, wie sie bei Überlandleitungen auftreten, ist derzeit aber dennoch nicht möglich.

 

Ein weiteres Problem, das die Leistung begrenzt, ist der kristalline Aufbau der Werkstoffe. Damit ein Hochtemperatursupraleiter die erhofften hohen Ströme führen kann, müssen die Kristalle über weite Strecken homogen sein. Bei der herkömmlichen Herstellung bilden sich aber Kristallite, die nur über mikroskopische Strecken hinweg ausgerichtet sind. Dann unterbrechen Korngrenzen die Leitungsebenen und werden für die supraleitenden Elektronen zu massiven Barrieren. Bislang in den Handel gebrachte Hochtemperatursupraleiter bestehen daher oft aus einer keramischen nichtleitenden Trägerschicht, etwa aus Lanthanaluminat. Auf deren regelmäßiges Gitter werden die Supraleiter in Form eines relativ dünnen Films aufgedampft. Diese Filme werden bereits in zahlreichen Geräten, etwa als Mikrowellenresonator oder als hoch empfindliche Magnetfeldsensoren, Squids (Superconducting Quantum Interference Devices), eingesetzt. Sie helfen unter anderem bei der Messung der extrem schwachen Gehirnströme. Aus dünnen HTSL-Filmen können im Prinzip auch Stromleiter hergestellt werden, die aber wegen ihrer aufwendigen Herstellung noch nicht mit Kupferkabeln konkurrieren können.

 

Ein anderer viel versprechender Prozess zur Herstellung von supraleitenden Kabeln nimmt die Schwachstellen bei wechselnden Körnern bewusst in Kauf. Hier werden Silberrohre mit einer pulverförmigen Vorform des HTSL-Materials gefüllt und verschlossen, danach zu einem dünnen Röhrchen ausgezogen und schließlich zu einem flachen Band gewalzt. Führt man das Verfahren bei etwa 500 Grad Celsius durch, so schmilzt das Pulver und kristallisiert beim Abkühlen über relativ große Bereiche gleichmäßig aus. Wiederholt man diesen Prozess, lassen sich die Eigenschaften des Supraleiters noch verbessern. Bei Verwendung des BSCCO 2223 (ein Material, das neben Sauerstoff aus den vier Komponenten Bismut, Strontium, Calcium und Kupfer zusammengesetzt ist) erhält man supraleitfähige Drähte, deren Sprungtemperatur etwa 40 Grad über der Siedetemperatur flüssigen Stickstoffs liegt. Diese Drähte kann man wiederum zu Drahtbündeln oder flachen Bändern zusammenfassen, zwischen denen die Kanäle für das Kühlmittel verlaufen. Solche Drähte werden mittlerweile kommerziell hergestellt, wobei die Längen aber nur wenige Meter betragen. Sie haben wie Kupferkabel den Vorteil, biegsam zu sein, lassen sich also weitgehend wie Kupferkabel verarbeiten, und können Stromdichten von etwa 13 000 Ampere pro Quadratzentimeter transportieren. Längere Strecken realisiert man noch durch Hintereinanderschaltung vieler solcher Kabel mit entsprechenden Verlusten. Fernleitungen sind auch auf diese Weise noch nicht realisierbar. Die Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet gehen dahin, die im Labor auf sehr kurzen Strecken erreichten Spitzenwerte von über 70 000 Ampere pro Quadratzentimeter auch auf langen Strecken unter realen Bedingungen zu erreichen. Wenn derartige supraleitende Kabel einmal zur Verfügung stehen, rücken auch die heutigen Zukunftsvisionen von Magnetschwebebahnen oder supraleitenden Großrechnern in den Bereich des Möglichen.

 

Dr. Gunnar Radons; Dr. Martin Stadtwald-Klenke,

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

keramische Werkstoffe

 

Literatur:

 

Förderschwerpunkt Supraleitung. Bilanz und Perspektiven, herausgegeben vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie. Bonn 1998.

 Heuschkel, Hermann u. a.: ABC Keramik. Leipzig ²1990.

 Hülsenberg, Dagmar: Neue Glas- und Keramikwerkstoffe. Werkstoffe der Zukunft. Berlin-Ost 1989.

 

Neue keramische Werkstoffe, herausgegeben von Lothar Michalowsky. Leipzig u. a. 1994.

 

Piezokeramik. Grundlagen, Werkstoffe, Applikationen, Beiträge von Karl Ruschmeyeru. a. Renningen 1995.

 Schuh, Lothar: Keramische Supraleiter. Ein neuer Werkstoff erobert die Welt. Eine Beschreibung des Phänomens, elektrischen Strom ohne Widerstand zu leiten. Haar 1988.