Bei Minusgraden bricht der Widerstand #
Im April 1911 entdeckte ein holländischer Wissenschaftler das Phänomen der verlustfreien Stromübertragung. Heute könnte diese Technologie die Energiewirtschaft revolutionieren.#
Mit freundlicher Genehmigung übernommen aus: DIE FURCHE (Donnerstag, 28. April 2011).
Von
Raimund Lang
© www.siemens.at; k. K.
Die Entdeckung der Supraleitung war nicht gerade ein Zufall. Aber immerhin eine Überraschung. Im April 1911 kühlte der Physiker Heike Kamerlingh Onnes eine Materialprobe aus Quecksilber langsam bis nahe an den absoluten Nullpunkt immer weiter ab. Gleichzeitig maß er laufend, wie gut das Metall dabei elektrischen Strom leitete. Bei einer Temperatur von minus 268,8 Grad Celsius geschah etwas Unerwartetes: Der elektrische Widerstand sank schlagartig auf null, das Quecksilber verhielt sich wie ein idealer Leiter.
Nirgendwo sonst hätte dieses Resultat erzielt werden können. Denn das Labor im niederländischen Leiden war damals das weltweit einzige, in dem sich so tiefe Temperaturen erzeugen ließen. Bereits zwei Jahre nach seiner Entdeckung erhielt Onnes dafür den Nobelpreis. In den folgenden Jahren wurden noch weitere Metalle mit jeweils unterschiedlicher, aber stets extrem tiefer Sprungtemperatur entdeckt. Die theoretische Erklärung für das Phänomen des verlustfreien Stromflusses erfolgte jedoch erst mehr als 40 Jahre später durch die drei Wissenschaftler John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer mit ihrer „BCS-Theorie“. Aufgrund der elastischen Struktur des Atomgitters verbinden sich demnach jeweils zwei Elektronen zu einem Paar. Sämtliche dieser sogenannten Cooper-Paare im Supraleiter verhalten sich dabei quantenphysikalisch wie ein einziges großes Elektron. In diesem Zustand weisen die Elektronen eine geordnete Geschwindigkeit auf, so dass sie nicht mehr vom Atomgitter abgebremst werden.
Medizinische Diagnosen und Großforschung#
Anwendung finden Supraleiter heute in erster Linie bei der Erzeugung starker Magnetfelder. Das simple Prinzip: Man schickt Strom in eine Spule aus supraleitender Wicklung und schließt sie anschließend kurz. Der Stromfluss bleibt dann ohne weitere Energieversorgung erhalten und erzeugt ein permanentes Magnetfeld. Auf diese Weise lassen sich bei geringer Baugröße besonders starke Magnetfelder erzeugen. Dieser Vorteil wird beispielsweise in Magnetresonanztomografen (MRT) bei der medizinischen Diagnose genutzt. Aber auch die Großforschung wäre ohne Supraleitung heute nicht, was sie ist. So halten im riesigen Teilchenbeschleuniger des Kernforschungszentrums CERN mehr als 1600 supraleitende Magnete die mit annähernd Lichtgeschwindigkeit rasenden Teilchen auf ihrer Bahn. Auch im geplanten Kernfusionsreaktor ITER im französischen Cadarache werden supraleitende Magnete zum Einsatz kommen. Dort sollen sie etwa 100 Millionen Grad heißes Plasma in einem „magnetischen Käfig“ festhalten, damit es nicht mit den Reaktorwänden in Berührung kommt.
© www.siemens.at; k. K.
Forschung an der Schwelle zum Durchbruch#
Technisch hat die Verwendung dieser Supraleiter allerdings einen kleinen Schönheitsfehler. Man benötigt nämlich flüssiges Helium, um die Metalle auf die benötigte Sprungtemperatur herabzukühlen. Dieses ist leider sehr teuer, was der Supraleitung bislang den Einzug in Alltagsanwendungen verwehrte. Das könnte sich jedoch in den nächsten Jahren ändern. 2011 ist nämlich noch aus einem zweiten Grund ein Jubiläumsjahr für die Welt der Supraleitung. Vor 25 Jahren entdeckten zwei deutsche Forscher, dass nicht nur Metalle ihren elektrischen Widerstand verlieren, sondern auch einige exotische Keramiken. Was noch wichtiger ist: Diese Materialien sind bereits bei vergleichsweise „hohen“ Temperaturen von etwa minus 196 Grad Celsius supraleitend, weshalb man sie Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) nennt. Zu ihrer Kühlung reicht flüssiger Stickstoff aus, der billig und technisch problemlos handhabbar ist. „Keramiken sind allerdings spröde und dementsprechend schwer zu bearbeiten“, sagt Supraleitungs-Experte Harald Weber vom Atominstitut der TU Wien. Zudem gibt es in jedem Supraleiter normalleitende Bereiche, die sich durch das Material bewegen und dadurch Widerstand erzeugen. „Diese Bewegung zu unterbinden, erfordert sehr ausgefeilte metallurgische Maßnahmen.“ 25 bis 30 Jahre dauert es in der Regel, bis ein Material zur Anwendungsreife gebracht wird. Dennoch scheinen Hochtemperatur-Supraleiter an der Schwelle zum Durchbruch zu stehen. Schon jetzt gibt es erste Produkte auf dem Markt, erste Prototypen befinden sich im Testbetrieb. Dabei fällt vor allem auf, dass HTS im Unterschied zu den klassischen Supraleitern primär für Energieerzeugung und Energietransport genutzt werden sollen. Besonders hohe Erwartungen hat die Energiebranche an supraleitende Kabel zum Stromtransport. Denn im Vergleich zu herkömmlichen Kupferkabeln können sie ein Vielfaches der Strommenge übertragen – ohne Verluste und bei geringerem Querschnitt. Manche Anbieter sprechen von bis zu 100-mal höheren Stromstärken und drei- bis fünfmal so hohen Strommengen. Die resultierende Platzersparnis macht den Einsatz vor allem für Ballungsräume interessant. In der Nähe von New York liegt seit drei Jahren ein etwa 600 Meter langes, unterirdisches HTS-Kabel. In Manhattan soll demnächst ein weiteres verlegt werden. Eine ebenfalls nahe liegende Anwendung sind Kurzschlussstrombegrenzer. Steigt nämlich die Temperatur in einem Supraleiter über die Sprungtemperatur, ist schlagartig der Widerstand wieder da und bremst den Stromfluss. So können empfindliche Anlagen vor elektrischer Überlastung geschützt werden. Dieses Prinzip macht sich bereits das deutsche Braunkohlekraftwerk Boxberg zunutze, in dem ein Strombegrenzer des Anbieters Nexans Supersonductor seinen Testbetrieb versieht. Er überwacht dort Mühlen, die pro Tag mehr als 25.000 Tonnen Kohle zerkleinern. Würden die Mühlen beschädigt, könnte das im schlimmsten Fall zur Abschaltung des Kraftwerks führen.
Noch fehlen für Umsetzung Sponsoren#
Die Firma Siemens wiederum arbeitet gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie an einem Kraftwerksgenerator mit 99,5 Prozent Wirkungsgrad. Supraleitende Generatoren könnten ihre hohe Energiedichte überall dort ausspielen, wo geringes Gewicht bei gleicher Leistung gefragt ist – oder höhere Leistung bei gleichem Gewicht. Zum Beispiel in Hochseeschiffen. Aber auch in den luftigen Höhen eines Windrades. Eher exotisch mutet demgegenüber die Vision des Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) an. Dessen Techniker haben eine supraleitende Magnetschwebebahn entwickelt. Die etwa 80 Meter lange Schauanlage ist zwar ein echter Hingucker. Für eine Umsetzung in großem Maßstab fehlen bislang allerdings die Sponsoren. Noch ist elektrische Infrastruktur auf Basis von Supraleitern um den Faktor vier bis zehn teurer als herkömmliche Kabel, Motoren und Generatoren. Branchenvertreter schätzen jedoch, dass der Kostennachteil noch in diesem Jahrzehnt schwinden könnte. Während in Deutschland einige Firmen erfolgreich im internationalen Supraleitungsgeschäft mitmischen (nicht zuletzt aufgrund einschlägiger Förderprogramme der Regierung), herrscht in Österreich eher Schulterzucken bei der Industrie. „Es fehlt der Schwung seitens der Anwender“, bedauert Harald Weber. Wenigstens im Bereich der Wissenschaft hält das Wiener Atominstitut die Fahne heimischer Supraleitungsaktivitäten hoch. So hat die international gut vernetzte Gruppe das Material entwickelt, aus dem die Isolation an den supraleitenden Magnetspulen im Fusionsreaktor ITER bestehen wird. Auch für die nächste Generation supraleitender Magnete am CERN testen die Wiener bereits mögliche Materialien.
