von DIRK EIDEMÜLLER
Bei der Suche nach Supraleitern bei Raumtemperatur geht es um den heiligen Gral der Energietechnik. Wenn sich ein solches Material finden ließe, das unter normalem Umgebungsdruck funktionieren würde, dann wäre eine verlustfreie Stromleitung über große Distanzen möglich. Außerdem ließe sich viel Energie einsparen, weil hocheffiziente Transformatoren und Elektromagnete sowie viele andere elektrotechnische Bauteile praktisch ohne Energieverlust arbeiten könnten. Und es würde weniger Abwärme entstehen, die sonst umständlich abgeführt werden muss.
Zweifacher Hoffnungsschimmer
Auf dem Weg zu einem solchen Material sind zwei Forschergruppen nun ein großes Stück weitergekommen. Das erste Team um den Physiker Ranga Dias an der University of Rochester in den USA hat es geschafft, ein Material zu synthetisieren, das bei knapp 15 Grad Celsius supraleitend ist, wenn auch nur unter extrem hohem Druck. Unterhalb dieser „Sprungtemperatur“ sinkt der elektrische Widerstand sprunghaft auf null.
Und in Japan konnte ein Team um Kozo Okazaki vom Institut für Festkörperphysik der Universität Tokio erstmals einen besonderen physikalischen Zustand – ein sogenanntes Einstein-Bose-Kondensat – zur Supraleitung bringen. In einem Bose-Einstein-Kondensat nehmen alle Elektronen den gleichen Zustand ein und verhalten sich wie ein großes Kollektiv – grob gesagt, wie ein einziges überdimensioniertes Atom.
Dieses Experiment geschah zwar bei tiefen Temperaturen, könnte aber helfen, grundlegende physikalische Prozesse zu verstehen. „Das ultimative Ziel unserer Forschung ist es, Hinweise zu finden, wie man Supraleitung bei Raumtemperatur und unter Umgebungsdruck erzeugen kann“, sagt Okazaki.
Kühlen bislang unverzichtbar
Bereits heute gibt es einige sogenannte Hochtemperatursupraleiter, die in unterschiedlichen Gebieten zur Anwendung kommen – vor allem zum Erzeugen starker Magnetfelder, etwa im europäischen Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf oder in Magnetresonanztomografen (MRT). Doch diese Supraleiter benötigen immer noch eine Kühlung auf ungefähr minus 200 Grad Celsius, rund 70 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Trotzdem sind es „Hochtemperatursupraleiter“, denn konventionelle Supraleiter erhalten ihre besonderen Fähigkeiten erst bei wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt. Sie müssen aufwendig mit teurem flüssigem Helium gekühlt werden. Hochtemperatursupraleiter hingegen lassen sich mit wesentlich billigerem flüssigem Stickstoff kühlen.
Der Weg in Richtung Raumtemperatur ist sehr steinig. Denn es gibt bislang keine Theorie, die die Supraleitung bei höheren Temperaturen erklärt. Bei niedrigen Temperaturen greift folgendes Modell: Gemäß der Standardtheorie können sich die für die Stromleitung verantwortlichen Elektronen in einem Festkörper zu Paaren zusammenschließen. Nach den Gesetzen der Quantenphysik sind Teilchen zugleich auch Wellen. Ein solches, eng miteinander verwobenes Elektronenpaar formt eine ganz besondere Art von Welle, die sich von der eines einzelnen Elektrons stark unterscheidet. Die Folge: Gepaarte Elektronen stoßen nicht mehr gegen die Atome des Kristallgitters, durch das sie flitzen, und erfahren deshalb keinen elektrischen Widerstand mehr – ein Supraleiter entsteht.
