DORNRÖSCHEN IN DER TIEFKÜHLKAMMER

Leuchtend blau und groß wie eine Garage – nur ein leises Summen verrät, dass HTS 2 läuft. Es geht fast in der Geräuschkulisse des Nürnberger Werks von Siemens unter. HTS 2 ist etwas Besonderes, aber das erkennen nur Experten. Der Ingenieur Joachim Frauenhofer deutet auf ein unscheinbares Isoliergefäß, das flüssiges Neongas enthält. Es kühlt den inneren, sich drehenden Teil der Maschine auf minus 246 Grad Celsius: HTS 2 ist eine supraleitende elektrische Maschine – eines von wenigen kostbaren Einzelstücken weltweit –, die vier Millionen Watt Leistung bringt.

Die Magnetspule des sogenannten Rotors ist aus einem supraleitenden Draht gewickelt. „HTS” steht für „ Hochtemperatur-Supraleiter”: Solche Supraleiter verlieren ihren elektrischen Widerstand bei höheren Temperaturen (bis zu etwa minus 130 Grad Celsius) als die klassischen Tieftemperatur-Supraleiter. Deshalb lassen sie sich einfacher kühlen. Der Rotor von HTS 2 steckt in einer eng eingepassten Super-Thermoskanne. Die Kälteisolierung des rotierenden Maschinenteils war eine technische Herausforderung, betont Frauenhofer. Doch der Aufwand hat sich gelohnt. Supraleitende Elektromaschinen sind effizienter und kompakter als ihre konventionellen Gegenstücke. Und vor allem reagieren sie wesentlich stabiler auf plötzliche Lastwechsel – „zum Beispiel an Schiffsschrauben, die bei starkem Wellengang kurz aus dem Wasser auftauchen und wieder eintauchen”, sagt Frauenhofer. Der Nachfolger HTS 3 soll als potenzieller Schiffsantrieb getestet werden. Als ersten Markt peilt Siemens Luxusjachten an. Bei den schwimmenden Prestigeobjekten darf so eine coole Technik gerne etwas kosten, zumal sie Platz spart.

Die Supraleitung entdeckte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes vor 100 Jahren in seinem Kältelabor an der Universität Leiden. Bald schon träumte er von ihrer technischen Anwendung in Stromnetzen, die elektrische Energie verlustfrei von den Erzeugern zu den Verbrauchern transportieren. Doch die Supraleitung ist bis heute eine Nischenanwendung geblieben. Es gibt zwar eine Spezialindustrie für die Großforschung – moderne Teilchenbeschleuniger zum Beispiel enthalten extrem starke supraleitende Magnetspulen. Als Normalbürger begegnet man der Supraleitung aber nur, wenn man in einen Kernspintomographen geschoben wird. Diese auch Magnetresonanztomographen genannten teuren Geräte haben einen milliardenschweren Markt geschaffen. Ansonsten macht sich supraleitende Technik noch rar.

Wer in den USA mobil telefoniert, nutzt gelegentlich eine von mehreren Tausend Basisstationen, die mit supraleitenden Filtern die Sendefrequenzen besonders scharf aussortieren. Und wer in New York auf Long Island lebt, bezieht seinen Strom durch ein 600 Meter langes Stück Kabel, dessen Innenleben aus einem Hochtemperatur-Supraleiter besteht. Geliefert hat es die US-Pionierfirma American Superconductor (AMSC) in Devens, Massachusetts. Es verbindet an einer Engstelle die Halbinsel mit dem Festland – und senkt die Verluste bei der Stromübertragung. „ Seit April 2008 funktioniert das erfolgreich”, bestätigt AMSC-Pressesprecher Kerry Farrell.

Raumnot in der Unterwelt

Ähnliche Pilotprojekte gibt es in China, Dänemark, Japan, Mexiko – und in Südkorea, das in der Anwendung von Supraleitung in Stromnetzen weltweit führt, wie Farrell berichtet. In der Infrastruktur mancher urbanen Unterwelt wird es allmählich eng für dicke Kupferkabel, die mit ihrem elektrischen Widerstand überdies zu viel störende Abwärme produzieren. Wer auf dem nordamerikanischen Kontinent eine Steckdose benutzt, kommt zudem unwissentlich in den Genuss von Testanlagen für andere supraleitende Techniken. Diese sollen eines Tages die Schwächen der – laut Farrell – „weltweit antiquierten Netze” abfedern.

Knapp ein halbes Jahrhundert nach Kamerlingh Onnes’ Entdeckung im Mai 1960 kam eine Erfindung auf die Welt, die ebenfalls auf Quantenphysik basiert: der Laser. Der Überflieger schaffte es schon gut zehn Jahre später in die Industrie. Heute durchdringen Laser den Alltag – von der Kommunikationstechnik über die Industrie bis zur Medizin. Doch warum hinkt die supraleitende Technik so hinterher?

„Sie dürfen nicht vergessen, dass die erste supraleitende Magnetspule erst vor etwa 50 Jahren gebaut wurde und dass die Hochtemperatur-Supraleitung erst vor 25 Jahren entdeckt wurde”, versucht Tabea Arndt eine Ehrenrettung. Die promovierte Physikerin forscht bei Siemens in Erlangen an der Entwicklung der supraleitenden Grundbausteine, die in diversen elektrischen Maschinen und Großgeräten eingesetzt werden sollen. Es geht dabei um Drähte und Spulen aus verschiedenen Hochtemperatur-Supraleitern. Sie sollen mit starken Strömen entweder in Generatoren elektrische Energie erzeugen, Motoren antreiben – oder etwas anderes Elektrotechnisches bewirken.

Behäbige Innovation

Tabea Arndt bringt auf den Punkt, warum Heike Kamerlingh Onnes’ Vision einer supraleitenden Energietechnik einen so langen Anlauf brauchte: „Vergleichen Sie mal, wie lange ein Laser in einem DVD-Laufwerk funktionieren muss – und wie lange eine elektrische Maschine durchhalten soll”, sagt die Physikerin. „In der Energietechnik reden wir von Betriebsdauern von mindestens 30 Jahren!” Es leuchtet ein, dass Innovation in einer so konservativen Branche eine Schnecke ist. Doch die Supraleitung scheint allmählich Anlauf zu nehmen. Diesen Eindruck gewinnt man in einer geräumigen Halle bei Siemens in Erlangen. Hier testet Arndts Team verschiedene supraleitende Materialien auf ihre Eignung für elektrische Maschinen. Auf einem Tisch liegen große rechteckige Spulen, wie sie auch in HTS 2 und 3 stecken. Hinter Stellwänden und Abschirmungen stehen Kryostaten: In den mindestens fassgroßen Super-Thermoskannen können die Entwickler Materialproben und komplette Spulen auf supraleitende Temperatur kühlen und mit extrem starken Strömen testen.

Supraleitung kann enorme Kräfte freisetzen. Das lässt sich an einem Magnetresonanztomographen hautnah erleben. Siemens baut in Erlangen solche Geräte. Eine große Spule im Gehäusering eines Tomographen generiert ein gewaltiges Magnetfeld von drei Tesla Stärke, womit es das Magnetfeld der Erde um das 60 000-Fache übertrifft. Die Wicklungen der Spule bestehen aus einem Tieftemperatur-Supraleiter. Hinter seiner Superisolation ist er auf ultrakalte minus 269 Grad Celsius gekühlt, die Temperatur flüssigen Heliums.

Eine goldene Regel lautet: Je stärker das Magnetfeld eines Tomographen ist, desto feinere medizinische Details kann er abbilden. Ein elektrischer Widerstand von Null ist eine einzigartige Eigenschaft des Quantenphänomens Supraleitung. Das ist so, als gäbe es ein Spezial-Eis, auf dem man ohne jegliche Reibung unendlich weit schlittern kann. Tatsächlich würde der Strom im Magneten im Prinzip ewig kreisen, doch die Körper der Patienten und viele kleine Störungen bremsen ihn ab. Das geschieht allerdings sehr langsam, weil beim „Hochfahren” eines neuen Geräts die Kreisströme mit bis zu zwölf Megajoule Energie geladen werden. „Das entspricht der Energie eines 40-Tonners bei Tempo 90″, erklärt Christoph Zindel, ein Mediziner, der für den Kontakt mit den Kliniken zuständig ist. Was wohl Kamerlingh Onnes sagen würde, wenn er das alles sehen könnte?

Absturz auf Null

Es war der 8. April 1911, als der niederländische Physiker mit dem markanten Kahlschädel und dem imponierenden Walrossbart zusammen mit seinen Assistenten ein kleines U-förmiges Röhrchen mit einer Füllung aus reinem Quecksilber auf die Reise zu extrem tiefen Temperaturen schickte. Kamerlingh Onnes war bereits berühmt, denn 1908 war seinem Team erstmals die Verflüssigung von Helium gelungen. Dazu mussten die Physiker ultrakalte minus 269 Grad erreichen, nur 4,2 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Am Quecksilber wollten die Wissenschaftler zum ersten Mal untersuchen, was der elektrische Widerstand von Metallen bei derart tiefen Temperaturen macht. Die Theoretiker sagten dazu Widersprüchliches vorher. Doch bei 4,19 Grad über dem Nullpunkt geschah etwas Unerwartetes: Die Anzeige für den elektrischen Widerstand des Quecksilbers fiel schlagartig auf Null. Dort verharrte sie. Zunächst glaubten die Niederländer an einen Fehler. Doch wie Experimente später zeigten, hatten sie ein neues Phänomen entdeckt. 1913 prägte Kamerlingh Onnes dafür den Begriff „Supraleitung”. Kamerlingh Onnes’ frühe Vision von supraleitenden Stromnetzen scheiterte allerdings an der Empfindlichkeit der damals entdeckten Supraleiter. Allein das Magnetfeld, das elektrische Ströme unweigerlich produzieren, ließ die Supraleitung schnell zusammenbrechen. Damit platzten die elektrotechnischen Träume – vorerst. Der Magnetismus sorgte für eine weitere große Überraschung in der Geschichte der Supraleitung: Dieser Effekt, den die beiden deutschen Physiker Walther Meißner und Robert Ochsenfeld 1932 in Berlin entdeckten, ist als Bild berühmt geworden: Ein frostiges Stück Supraleiter schwebt über einem Permanentmagneten. Nur Supraleiter beherrschen dieses „eigenstabile” Schweben. Sie verdrängen das Magnetfeld aus sich wie ein schwimmender Schiffskörper das Wasser unter seinem Rumpf.

Der bessere Transrapid

Nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter 1986 kamen einige Physiker auf die Idee, dass man damit auch gut Schwebebahnen bauen könne. Ein solches Projekt ist SupraTrans in Dresden. Ludwig Schultz, der das Projekt als Direktor am Dresdner Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) leitet, bedauert, dass wegen eines Umbaus gerade keine Testfahrt möglich sei. Die aktuelle SupraTrans-2-Bahn besteht aus einem Streckenring von 80 Meter Länge in einer Halle. Die Schienen sind – grob gesagt – im Kern langgezogene starke Permanentmagneten. Das Fahrzeug trägt in seinem Boden Hochtemperatur-Supraleiter. Flüssiger Stickstoff kühlt sie auf minus 196 Grad Celsius. Der Trick: Beim Abkühlen friert der Supraleiter das Magnetfeld der Schienen in sich ein und lässt den kleinen Zweisitzer in 13 Millimeter Höhe über der Schiene schweben.

Eine herkömmliche Schwebebahn wie der Transrapid schwebt instabil. „Man braucht deshalb eine aufwendige Regeltechnik”, erklärt der Physiker Schultz. Das ist ähnlich wie bei einem Bleistift, den man auf seiner Spitze stehend balanciert. Das SupraTrans-Bähnchen schwebt dagegen dank Supraleitung völlig stabil. Mehr noch: Während der Transrapid bloß anziehende Magnetkräfte nutzen kann und deshalb in einer komplizierten magnetischen Hängematte lagert, kann der Supraleiter nicht nur magnetisch anziehen, sondern auch abstoßen. Widerborstig stemmt er sich jeder Kraft entgegen, die auf ihn einwirkt. Genau das nutzen die Dresdner geschickt aus. Steigt man in den Zweisitzer und drückt ihn mit seinem Gewicht hinunter, stößt sich der Supraleiter stärker von den Schienen ab. Wenn das Vehikel dagegen in der Kurve durch die Fliehkräfte abzuheben droht, krallt es sich magnetisch über den Schienen fest. Formel-1- Konstrukteure können von so etwas nur träumen.

Schweben über Kopf

„Deshalb können wir das Schienensystem vom Fahrzeug völlig entkoppeln”, sagt Oliver de Haas, Geschäftsführer der an SupraTrans beteiligten Dresdner Start-up-Firma evico. Das Fahrzeug schwebt sozusagen über allem. Diese Flexibilität macht die stabile Schwebebahn interessant für künftige Verkehrssysteme, deren individuell gesteuerte Einzelkabinen autonom durch dicht besiedelte Städte fahren. „Auch wenn das noch eine Vision ist”, betont de Haas: „Sie können diese Schwebebahnen in eng bebauten Gebieten im Prinzip sogar seitlich an eine Wand oder über Kopf unter Brücken hängen.” Allerdings ist das alles noch Forschung. Supraleitende Schwebebahnen werden wohl nicht so bald flächendeckend eine neue Leichtigkeit des Mobilseins bescheren. Da ist die supraleitende Elektrotechnik schon näher am kommerziellen Durchbruch.

Rolf Hellinger leitet den Bereich der Siemens-Forschung in Erlangen, in dem neue Leistungskomponenten für die Energieversorgung entwickelt werden. Ein supraleitender Strombegrenzer wurde gerade für ein Pilotprojekt nach Kanada ausgeliefert. „Das ist eigentlich eine etwas abartige Anwendung der Supraleitung”, sagt Wolfgang Schmidt, der das Gerät entwickelt hat. Im Prinzip besteht es aus einer großen Spule, deren supraleitender Draht gegensinnig gewickelt ist. So produziert sie keinerlei Magnetfeld, denn das würde nur für störende Energieverluste sorgen. Stattdessen ist ihr wabenförmiger Träger darauf ausgelegt, große Mengen Abwärme schnell zu kühlen. Der Grund: Die Spule ist eine Art unzerstörbare Supersicherung für sehr starke Ströme im Netz. Sie federt gefährliche Stromspitzen ab, indem sie vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht. Der plötzlich auftretende elektrische Widerstand verwandelt den gefährlichen Überschuss an elektrischer Energie in unkritische Abwärme. Der Strombegrenzer wird binnen weniger Sekunden wieder supraleitend. Anders als eine Sicherung muss er also nicht erneuert werden. Besonders für die zunehmend überlasteten Netze in dicht besiedelten Gebieten sind solche Strombegrenzer interessant. „Es gibt kein konventionelles Gegenstück zum supraleitenden Strombegrenzer”, betont Schmidt. „Das ist ein Element mit einer ganz neuen Funktionalität.”

Riesen fürs Kraftwerk

Hellingers Wunsch: „Ich möchte die Supraleitung bald in einem Kraftwerk sehen.” Der Elektroingenieur erklärt, warum supraleitende Generatoren so attraktiv sind. Die Riesendynamos an den großen Kraftwerksturbinen mit mehreren Hundert Megawatt Leistung haben ein Problem mit ihrem „Body-Mass-Index”. Die Fliehkräfte begrenzen den Durchmesser der schnell rotierenden Teile. Mehr elektrische Leistung ist nur durch eine größere Länge zu bekommen. „Aber dann biegt sich die Welle durch”, erklärt Jörn Grundmann, einer der Ingenieure in Hellingers Team. Ein nennenswerter Leistungszuwachs lässt sich nur mit kompakteren supraleitenden Generatoren erreichen, die zudem die Effizienz verbessern. Siemens will nun zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie die Komponenten solcher Generatoren in einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt entwickeln. Hellinger lässt nicht gelten, dass die Kunden, die solche Kraftwerke bauen, zu konservativ für die Technologie seien. „Wenn wir das anbieten, gehen die mit”, ist er überzeugt.

American Superconductor arbeitet sogar an supraleitenden 10-Megawatt-Generatoren für Windturbinen. Bei den Offshore-Anlagen wird mit wachsender Leistung die Größe und Masse der Gondel, in der der Generator zur Windstromerzeugung sitzt, zum Problem, denn beim Bau müssen große Schiffskräne die Gondeln auf die Türme hieven. „Unsere Anlage wird die doppelte Leistung bei halbem Gewicht bringen”, erklärt Kerry Farrell, „und soll Mitte des Jahrzehnts in kommerzielle Produktion gehen.” Die Supraleitung ist zwar langsamer als der Laser, aber sie könnte erheblich schlagkräftiger sein. ■

Roland Wengenmayr, freier Wissenschaftsjournalist in Frankfurt am Main, schreibt vor allem über Physik- und Energie-Themen.

von Roland Wengenmayer