Von
Timo Gemein, Sven Junck, Eduard Rudi und Alexander Szymanski, Bingen
Supraleiter sind Stoffe, die bei sehr geringer Temperatur sowie Materialdicke Strom widerstandslos und damit verlustfrei leiten! Da die Supraleitung noch ein relativ junges, in Zeiten des Sparens jedoch hochaktuelles Forschungsgebiet ist, im Folgenden ein kleiner Überblick.
Die Supraleitung basiert auf der so genannten BCS-Theorie, welche besagt, dass sich Elektronen bei tiefsten Temperaturen paarweise zu als Cooper-Paaren bekannten Formationen anordnen. Da sich das Kristallgitter, in welches die Elektronen eingebettet sind, bei tiefen Temperaturen kaum bewegt, können die Elektronen die negativen Gegenkräfte überwinden und „rollen“ zusammen.
Bei Hochtemperatursupraleitern – also Stoffen, welche „schon“ ab 30 Grad Kelvin (also ungefähr 243 Grad Celsius) supraleitend werden – ist dies jedoch nicht der Fall. Bis heute ist die Ursache für die hohe Sprungtemperatur bei diesen noch nicht eindeutig geklärt, doch nimmt man an, dass dies mit der Eigenbewegung der Atome, dem „Spin“, zusammenhängt.
Die Cooper-Paare brechen auf, wenn eine Energie auf sie wirkt, die größer ist als ihre Bindungsenergie. Da eine höhere Umgebungstemperatur mehr Energie enthält, muss sie sehr gering sein, um dies zu verhindern.
Die supraleitende Fähigkeit lässt sich erhöhen, wenn der Leiter als feinst gemahlenes Pulver vorliegt, ein Magnetfeld oder ein hoher Druck vorhanden ist. Wenn alle drei zusammenwirken, ist die maximale Ausbeute erreicht. Die Temperatur, bei der der supraleitende Zustand eintritt – die so genannte Sprungtemperatur – ist materialabhängig.
Durch das Anlegen einer Stromspannung wird der supraleitende Effekt allerdings zerstört – eine Erklärung hierfür steht noch aus. Die Stoffe werden durch Supraleitung zwar auf Atomebene verändert, doch besteht wenig Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit.
Einige Metalle werden gar erst unter extremen Bedingungen zum Supraleiter. Eisen wird zum Beispiel erst bei einem enormen Druck von über 10 Gigapascal sowie einer Tiefsttemperatur von circa 2 Grad Kelvin supraleitend. Mit Hilfe elektrischer Felder lassen sich auch Nichtleiter in einen supraleitenden Zustand überführen.
Der Effekt der Supraleitung wurde erstmals 1911 vom Niederländer Heike Kamerlingh Onnes mittels Quecksilber, welches er auf unter 5 Grad Kelvin kühlte, entdeckt. 1933 untersuchten die Deutschen Meißner und Ochsenfeld das magnetische Verhalten von Supraleitern, und schließlich veröffentlichten die Amerikaner Bardeen, Cooper, Schrieffer (BCS) die noch heute gültige Theorie zur Supraleitung (siehe oben). Onnes und die Amerikaner erhielten für ihre Arbeiten jeweils den Physiknobelpreis (1913 beziehungsweise 1972). 1986 wurden die Hochtemperatursupraleiter von dem deutschen Physiker Bednorz und dem Schweizer Müller entdeckt.
Im Frühjahr 2001 gelang es erstmals eine rein organische Verbindung herzustellen, welche ab 2,35 Grad Kelvin supraleitende Eigenschaften besitzt. Anfang 2002 konnten weitere Stoffe erzeugt werden, die eine hohe Sprungtemperatur besitzen. Warum die Sprungtemperatur so hoch ist, ist wiederum ungeklärt.
Bis zur Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter mit Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid konnte man supraleitende Eigenschaften nur durch Kühlung mit teurem Helium erreichen. Mittlerweile ist es jedoch möglich, mit flüssigem Stickstoff zu kühlen, was die Produktion um den Faktor 100 billiger macht! Nach bisherigem Stand erscheint jedoch Supraleitung bei Zimmertemperatur (20 Grad Celsius) nicht möglich.
Neben exotischen Verbindungen werden auch einfachere, wie zum Beispiel Magnesiumdiborid, supraleitend. Diese Verbindung hat zwei Temperaturpunkte, bei denen sie in den verlustfreien stromleitenden Zustand übergeht. Ende 2003 gelang die Herstellung von Drähten dieses Stoffes in hoher Qualität, was der Entwicklung von supraleitenden Schaltkreisen einen großen Schub gab.
Heute nutzt man Supraleiter zur Herstellung von energiesparenden, starken Elektromagneten, die in der Medizin, in Teilchenbeschleunigern sowie in Kernfusionsreaktoren Verwendung finden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Mikroelektronik, zum Beispiel die Entwicklung hochleistungsfähiger Computer (Quantenmechanik).
Momentan wird daran geforscht, wie man Binärschalter („Ein-Aus“-Schalter) und Stromnetze aus Supraleitern herstellen kann.
Ein interessantes und viel versprechendes Forschungsgebiet!

Quellen: Wikipedia, MS Encarta 04, MaxPlanckForschung: TechMax Herbst 05