Supraleiter heben ab

„Die Erwartungen explodierten förmlich“, erinnert sich Holzapfel. „Wir dachten, in wenigen Jahren wären solche Werkstoffe überall verbreitet.“ Verlustfreier Energietransport über große Distanzen, Magnete mit unvorstellbar starken Feldern – vieles erschien vorstellbar.

Über 30 Jahre später warten Wissenschaftler noch immer auf die erhoffte Revolution, denn die komplexen Werkstoffe waren schwierig zu handhaben. Doch inzwischen können stetig verbesserte Supraleiter tatsächlich einiges von dem, was damals prophezeit wurde. Und gerade drängen innovative Anwendungen in den Markt – bei Stromleitungen, Windkraftrotoren, in der Automatisierungs- und Medizintechnik, bei Flugzeugen, der Kernfusion und Teilchenbeschleunigern.

Doch dafür mussten die Wissenschaftler die Eigenschaften der Materialien für die Hochtemperatur-Supraleitung erst einmal optimieren und an die technischen Bedürfnisse anpassen. Dazu kreierten sie Stoffe mit immer höheren Sprungtemperaturen. Verbesserte Substanzen leiten heute stärkere elektrische Ströme und können so größere Magnetfelder erzeugen. Doch bis diese Stoffe verfügbar waren, dauerte es Jahrzehnte. Festkörperphysiker und Materialwissenschaftler lernten in dieser Zeit, die komplexe Nanokristallografie der Hochtemperatur-Keramiken zu beherrschen. Das Ergebnis: Die Euphorie der 1980er-Jahre kehrt zurück. „Inzwischen sind die Materialien ausgereift, Demonstrationsmodelle funktionieren“, sagt Holzapfel. Bei vielen Anwendungen, meint der Forscher, sei es nur noch eine Frage der Kosten, ob sich die Technik breit einsetzen lässt.

Die Ära der neuen Rekorde

Der Weg dorthin wird derzeit mit Rekorden gepflastert. Die Forscher überbieten sich mit Erfolgsmeldungen, etwa zu immer höheren Sprungtemperaturen. Ihr Traum ist ein Supraleiter, der sich bei Zimmertemperatur und normalem Umgebungsdruck betreiben lässt. 2019 gelang es einem Team um Mikhail Eremets am Max-Planck-Institut für Chemie in München, ein Material bei minus 23 Grad Celsius supraleitend zu machen – der bis dahin höchsten je beobachteten Sprungtemperatur. Der Durchbruch gelang den Forschern mit einer kristallinen Mischung der chemischen Elemente Lanthan und Wasserstoff. Lanthan gehört zu den Seltenen Erden – einer Gruppe von chemischen Elementen, die auch in einigen anderen Hochtemperatur-Supraleitern eine wichtige Rolle spielen.

Doch die Sache hat einen Haken: Das Experiment funktioniert nur unter extrem hohem Druck. Dabei wird eine winzige Materialprobe in eine sogenannte Diamant-Stempelzelle eingesperrt. Sobald die Spitzen von zwei diamantenen Ambossen zusammengepresst werden, entsteht ein Druck von 2,2 Millionen Bar, bei dem die Kristalle ihren elektrischen Widerstand verlieren. Für einen adäquaten Vergleich muss die ganze Erde herhalten: In ihrem Mittelpunkt herrscht ein Druck von etwa 3,6 Millionen Bar.

Ein enormer Aufwand war auch für die Entdeckung von Verbindungen erforderlich, die bereits bei Raumtemperatur – exakt: bei 15 Grad Celsius – supraleitend werden. Im Herbst 2020, ein Jahr nach dem Erfolg von Max-Planck-Forscher Mikhail Eremets, hatten der Physiker Ranga Dias und sein Team von der University of Rochester im US-Bundesstaat New York ihre Sternstunde. Ebenfalls mit einem Diamantstempel setzten sie kohlenstoffhaltigen Schwefelwasserstoff unter einen Druck von 1,7 Millionen Bar, um Supraleitung zu erzeugen.

Solche experimentellen Resultate sind zwar von Bedeutung für die Grundlagenforschung, doch alltagstauglich sind sie wegen der dazu erforderlichen Umstände nicht. Trotzdem zeigt die Entwicklung für Holzapfel in die richtige Richtung. Ob die Supraleitung bei plus 15 oder minus 23 Grad Celsius einsetzt, ist in seinen Augen nicht so wichtig. Es geht um das Phänomen an sich: „Ich würde keinesfalls ausschließen, dass das künftig in irgendeinem noch unbekannten Material auch bei Normaldruck funktioniert“, sagt der KIT-Wissenschaftler.

Punktsieg für Supraleiter-Kabel

Fast schon im Alltag angekommen sind mit Stickstoff gekühlte supraleitende Stromkabel. Bereits seit 2014 werden in Essen zwei Umspannwerke durch solche Kabel aus einer Spezialkeramik von einem Kilometer Länge miteinander verbunden. Mit dem zuvor dort genutzten Kupferkabel war eine 110-Kilovolt-Leitung erforderlich gewesen. Bei den Kabeln aus einem Hochtemperatur-Supraleiter reicht eine Spannung von 10 Kilovolt aus, um dieselbe Übertragungsleistung zu erzielen. Zudem sparen sie Platz: Ein herkömmliches Umspannwerk für 110 Kilovolt Spannung hat etwa die Ausmaße eine Turnhalle. Bei 10 Kilovolt kann ein großer Trafo entfallen, und die Anlage passt damit in ein Gebäude von der Größe einer Doppelgarage. Jedes der supraleitenden Kabel schafft eine Leistung von 40 Megawatt – bei wesentlich geringeren Energieverlusten als in einem konventionellen Kabel. Doch das wichtigste Merkmal der Technik in dem Essener Projekt ist die enorme Robustheit der Anlage, meint Holzapfel. „Deshalb setzt bei der Stromübertragung gerade ein Umdenken ein.“

Neue Wege werden auch in München beschritten: Dort geht vielleicht schon bald das weltweit längste supraleitende Kabel zur Energieübertragung in Betrieb. Bis 2023 wollen die Betreiber alle Komponenten entwickelt und getestet haben. Wenn alles klappt, soll dann eine zwölf Kilometer lange Hochspannungsleitung zwischen dem Stadtteil Menzing und dem Energiestandort Süd in Sendling gebaut werden – mit einer Leistung von bis zu 500 Megawatt. Ähnlich wie in Essen ist der supraleitende Stromleiter bandförmig. Einschließlich Ummantelung und Kühlkanal ist das Kabel nicht dicker als das zuvor verwendete Kupferkabel, kann aber bis zu achtmal so viel Strom leiten.

Schweben statt rollen

Der verlustfreie Stromtransport ist ein Traum aus der frühen Zeit der Hochtemperatur-Supraleiter – ein anderer sind Fahrzeuge, die über supraleitende Schienen dahinschweben: die Magnetschwebebahn. Bislang existiert dafür nur eine einzige, 80 Meter lange Teststrecke in Karlsruhe, die vom KIT betrieben wird. Entwickelt hat sie der Materialforscher Ludwig Schultz an der TU Dresden. In der Karlsruher Testanlage können zwei Personen auf einem Sitz über eine magnetische Doppelschiene schweben, von der sie ein nur 13 Millimeter breiter Luftspalt trennt.

Für die Anwendung der Schwebetechnik (Fachjargon: Levitation) gibt es aussichtsreiche Entwicklungen: In den letzten Jahren haben einige Unternehmen das Schweben in ihre Automatisierungstechnik integriert. Mit den neuen Supraleitern lassen sich Kräfte kontaktfrei übertragen. Das hilft unter anderem in der Robotik sowie bei Handhabungsautomaten, beispielsweise zur Übergabe von Objekten in einer Fabrik von einer Fertigungsstation zur nächsten. Daran arbeitet zum Beispiel das Automatisierungstechnik-Unternehmen Festo in Esslingen bei Stuttgart.

Mehr Power für Windparks

Die Möglichkeit, Gewicht zu sparen und gleichzeitig mehr elektrische Leistung zu erreichen, macht Hochtemperatur-Supraleiter auch attraktiv für rotierende Maschinen. So könnten supraleitende Generatoren Windkraftanlagen zu größeren Leistungen verhelfen.

Windkraftanlagen auf dem Meer sind Giganten. Im Hafen von Rotterdam steht die größte Anlage dieses Typs, Haliade- X13. Ihr Turm ragt 260 Meter in die Höhe, jedes ihrer drei Rotorblätter ist 107 Meter lang. Seit Oktober 2021 liefert die kolossale Windturbine elektrischen Strom – mit 14 Megawatt installierter Leistung. Damit ist sie die stärkste je gebaute Turbine der Welt. Im Offshore-Windpark Doggerbank, 130 Kilometer vor der Nordostküste Englands, sollen in den nächsten vier Jahren gleich 87 solche Exemplare errichtet werden.

Und schon wird das nächste Rekord-Windkraftwerk entwickelt. Noch 2022 will die Firma Vestas im dänischen Østerild ein Riesenwindrad von 280 Meter Höhe, 15 Megawatt installierter Leistung und Rotoren von je 115,50 Meter Länge bauen. Im nächsten Schritt sollen solche Offshore-Windkraftanlagen sogar bis zu 20 Megawatt Leistung bringen. Doch mit mehr Leistung wird alles größer, schwerer und schwieriger: Fundamente, Transport und Montage. Das kratzt an den Grenzen der technischen Machbarkeit.

Um elektrischen Strom zu erzeugen, arbeiten konventionelle Windkraftgeneratoren mit Permanentmagneten. „Dadurch stecken heute in jeder Anlage Tonnen an Seltenen Erden“, sagt Holzapfel.

Dazu gehören seltene Rohstoffe wie Neodym, Dysprosium, Yttrium und Samarium. „Mit Keramiken aus einem Hochtemperatur-Supraleiter würde man nicht etliche Tonnen, sondern höchstens einige Kilogramm benötigen“, nennt der KIT-Forscher ein großes Plus. Mit dem Programm Horizon 2020 hat die EU bereits einen Schritt in diese Richtung unternommen. In Dänemark lief von 2014 bis 2019 Ecoswing – ein Windrad mit einem supraleitenden Generator für 3,5 Megawatt Leistung. Er erreichte eine doppelt so große Leistungsdichte, war dabei aber kleiner – und sparte bei gleicher Leistung 40 Prozent an Gewicht gegenüber einem konventionellen Generator ein.

Abspecken in der Luft

Noch wichtiger ist die Reduktion von Gewicht, wenn es ums Fliegen geht. Elektrische Flugzeuge, angetrieben von supraleitenden Motoren, wären leichter, kompakter, hätten eine höhere Leistungsdichte und geringere elektrische Verluste. In mehreren Ländern arbeiten Ingenieure bereits daran, solche Flugzeuge auf Testständen zu erproben. Der europäische Flugzeugbauer Airbus setzt auf Flugzeuge, bei denen elektrische mit anderen Antriebsformen „hybrid“ gemischt werden. Das Luftfahrt-Unternehmen will in den nächsten drei Jahren den Demonstrator Ascend bauen. Daran soll untersucht werden, wie sich supraleitende Materialien auf die Leistung hybrid-elektrischer Antriebe auswirken. Allerdings: Aus Gewichtsgründen ist die Reichweite begrenzt: Beim elektrischen Fliegen geht es daher um Kurzstreckenflugzeuge mit Turboprop-, Turbofan- oder Hybridpropeller-Triebwerken.

Wie der Luftfahrtingenieur Weijia Yuan von der britischen University of Strathclyde erklärt, liegt das größte Problem im sogenannten Leistungsgewicht – dem Verhältnis aus Masse und Leistung eines Fahr- oder Flugzeugs. Jedes Kilogramm eines Flugzeugmotors, etwa für einen Airbus A320, muss mindestens mit einer Leistung von 40 Kilowatt angetrieben werden. „Doch derzeit kommen die besten Elektromotoren nur auf fünf Kilowatt“, sagt Yuan. Supraleitende Materialien könnten helfen, diese Lücke zu schließen. Denn fließt der elektrische Strom ohne Widerstand, lässt sich die Leistungsdichte im Antrieb erhöhen und das Gewicht deutlich reduzieren. Auf diese Weise könnte ein Leistungsgewicht von 30 Kilowatt pro Kilogramm Gewicht erreicht werden.

Extrem starke Magnetfelder

Von allen neuartigen Einsatzfeldern der Hochtemperatur-Supraleiter sind Magnetspulen am weitesten erschlossen: in der Medizin, der Kernfusion und bei Teilchenbeschleunigern. Dazu tragen neue Rekorde bei der Magnetfeldstärke bei, gemessen in der Einheit Tesla. US-amerikanischen Forschern am National High Magnetic Field Laboratory in Florida ist es 2019 gelungen, Magnetfelder mit einer Stärke von 45,5 Tesla zu erzeugen. Das ist fast eine Million Mal so stark wie das Erdmagnetfeld. Zum Vergleich: Heute gebräuchliche Kernspinresonanz (NMR)-Tomografiegeräte nutzen für die medizinische Diagnostik Magnetfelder von 1,5 bis 3 Tesla.

Magnete mit höheren Feldstärken würden eine verbesserte funktionelle Bildgebung ermöglichen: Dynamische Herzfunktionen, aktivierte Hirnareale oder Gelenkbewegungen ließen sich präziser lokalisieren und zeitlich besser erfassen. Zudem könnten Biomoleküle genauer analysiert werden. Das Medizintechnik-Unternehmen Bruker mit Sitz im US-Bundesstaat Massachusetts hat dazu vor Kurzem technisches Neuland beschritten und ein NMR-Spektrometer auf den Markt gebracht, das bisherige Dimensionen sprengt.

Das Spektrometer arbeitet mit einer Frequenz von 1,2 Gigahertz, dem Zehnfachen bisheriger Geräte. Auch seine Magnetfeldstärke von 28,2 Tesla setzt neue Maßstäbe. Das ist fast 600.000 Mal so stark wie das Erdmagnetfeld. Das Hightech-Gerät sieht aus wie eine riesige Thermoskanne und wiegt acht Tonnen. Drei Exemplare davon stehen derzeit an europäischen Forschungseinrichtungen: in Florenz, Zürich und am Max-Planck-Institut für Multidisziplinäre Naturwissenschaften (MPINAT) in Göttingen – Stückpreis: 12,5 Millionen Euro.

Wicklung im Sandwich-Format

Seine technischen Qualitäten verdankt das Bruker-Spektrometer den Hochtemperatur-Supraleitern. Für die Magnetspulen wurden sie im Sandwich-Format aufgewickelt: ein hochtemperatursupraleitender Draht für die innere und ein „normaler“ niedrigtemperatursupraleitender Draht für die äußere Spule. Erst mit dieser besonderen Kombination ließ sich eine hohe homogene Feldstärke von 28,2 Tesla für die hochauflösende Kernspinresonanz erzeugen. Bernhard Holzapfel sieht darin einen „Meilenstein für die medizinische Anwendung“.

Mit dem neuen Hochleistungs-Spektrometer in Göttingen hoffen die beiden Max-Planck-Wissenschaftler Christian Griesinger und Markus Zweckstetter, künftig Membranproteine charakterisieren zu können. Und sie wollen Proteine untersuchen, die miteinander verklumpen. „Solche Verklumpungen schädigen Nervenzellen und fördern neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson oder Alzheimer“, erklärt Zweckstetter. Das starke Magnetfeld ist der Schlüssel, um die Vorgänge zu verstehen.

Bereits seit 2013 versuchen die beiden Göttinger Strukturbiologen, Nervenschädigungen mit einem neuen Wirkstoff zu bekämpfen. „Mit dem 1,2-Gigahertz-Spektrometer könnten wir den Einfluss dieser Substanz auf die Protein-Verklumpungen mit atomarer Auflösung sichtbar machen“, hofft Griesinger. Derzeit untersuchen er und sein Kollege Zweckstetter auch Membranproteine, die Infektionen durch Viren ermöglichen, etwa durch das Influenza- oder das Corona-Virus.

Teilchen-Crashs und Kernfusion

Auch Teilchenbeschleuniger benötigen starke Magnete aus Supraleitern, beispielsweise der Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf. In dem größten Beschleuniger der Welt prallen in einem 27 Kilometer langen Ringtunnel Elementarteilchen aufeinander, angetrieben durch mehr als tausend supraleitende Dipolmagneten. Solche magnetischen Kraftprotze kommen zudem bei Experimenten zur Kernfusion zum Einsatz – etwa am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge bei Boston.

Dort vermeldeten Forscher im September 2021 einen aufsehenerregenden Erfolg. Dennis Whyte, Direktor des dortigen Plasma Science and Fusion Center, berichtete, dass das Fusionsexperiment Sparc eine Magnetfeldstärke von 20 Tesla erreicht hat. Die in der Kernfusionsforschungseinrichtung eingebauten Hochtemperatur-Magnetfeldspulen sind Teil eines sogenannten Tokamak: einer ringförmigen Anlage, in der ein heißes Wasserstoffplasma eingeschlossen wird. Bei Temperaturen von mehr als 150 Millionen Grad Celsius sollen darin Atomkerne miteinander verschmelzen und dabei gewaltige Mengen an Energie freisetzen.

Die Forscher am MIT messen sich mit der weltgrößten Fusionsmaschine ITER (Internationaler Thermonuklearer Experimentalreaktor), der bei Cadarache in Südfrankreich gebaut wird. Seine Magnetspulen nutzen klassische Supraleiter und arbeiten bei Magnetfeldstärken von 12 Tesla. Jede der 18 Hauptfeldspulen von ITER wiegt rund 300 Tonnen. Die Maschine – auch sie ist ein Tokamak – ragt bis zu 18 Meter in die Höhe.

Mit dem Sparc-Experiment entwickeln die Fusionsforscher am MIT eine deutlich kompaktere Version von Anlagen dieses Typs. Seine wichtigste Innovation ist die Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern. Deren bandartige Keramiken sind zu einer Spule aufgewickelt. Jede dieser Spulen ist zwei Meter hoch, wiegt knapp zehn Tonnen und erzeugt ihr Magnetfeld bei minus 255 Grad Celsius – in einem Volumen, das nur ein 40stel so groß ist wie bei konventionellen Supraleiter-Magneten. Zugleich sind die Keramikbänder jeweils 267 Kilometer lang und aufgeteilt in 16 Schichten. „Allein die enorme Bandlänge macht solche Spulen zu etwas Besonderem“, sagt Bernhard Holzapfel. „Pro Jahr werden nur wenige Tausend Kilometer solcher Keramikbänder produziert.“

Die Forschungsarbeit, die Holzapfel und seine Fachkollegen in den letzten Jahrzehnten an der Supraleiter-Technik geleistet haben, hat endlich praktische Anwendungen gefunden.

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