Materialwissenschaft
Sind Raumtemperatur‑Supraleiter überhaupt möglich? QMUL sagt Ja
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Grenzen der Supraleitung
Elektrizität war eine der transformativsten Technologien der Geschichte und ermöglicht die Übertragung einer sehr nützlichen Energieform über große Entfernungen. Doch jedes „normales“ elektrische System hat elektrischen Widerstand, der bei Anlegen eines Stroms zur Wärmeentwicklung führt.
Eine Alternative existiert: die sogenannten supraleitenden Materialien. Supraleitende Materialien besitzen einen elektrischen Widerstand von null, wodurch extrem starke Ströme ohne Wärmeentwicklung verwendet werden können.
Ohne Supraleitung wären viele moderne Technologien nicht möglich, darunter Teilchenbeschleuniger (zum Beispiel das CERN), MRT und Magnetschwebebahnen.
Supraleitung wird ein entscheidender Bestandteil der vielversprechendsten Megaprojekte und technologischen Innovationen sein, wie ITER und Kernfusion, Massentreiber, Quantencomputer, usw.
Stromleitungen ohne Verluste könnten ebenfalls entscheidend für die Entwicklung ultra‑langer Netzanbindungen sein, die die Erzeugung erneuerbarer Energien über Wetterbedingungen und Zeitzonen hinweg puffern und einige der Einschränkungen von Solar‑ und Windenergie lösen.
Quelle: XOT Metals
Allerdings wurde Supraleitung bisher nur für Materialien beherrscht, die sie bei ultraniedrigen Temperaturen zeigen, kaum ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt. Oder bei extrem hohem Druck. Oder beides.
Damit ist sie nicht nur zu komplex für alle außer den anspruchsvollsten Anwendungen (Magnetschwebebahnen, MRT usw.), sondern auch sehr teuer, wodurch sie für viele Anwendungen, die von supraleitenden Materialien profitieren könnten, oder für den großflächigen Einsatz unwirtschaftlich ist.
Viele Wege zur Supraleitung
Es scheint nun, dass das bei hohem Druck hergestellte Material einen Teil seiner Supraleitung bei niedrigerem Druck behalten könnte, und zwar durch ein experimentelles Verfahren namens Pressure‑Quench‑Protokoll (PQP).
Kürzlich erschien das verdrehte Bilayer von WSe₂ (Wolfram‑Selen) ebenfalls als vielversprechender Materialkandidat für Hochtemperatur‑Supraleiter.
Eine weitere neue Klasse potenzieller Supraleiter, bilayer Nickelate, könnte ebenfalls in diesem Jahr zur Liste hinzugefügt worden sein.
Das Problem bei der Suche nach neuen Materialien, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind, besteht darin, dass wir nicht wirklich verstehen, wie es funktioniert. Das gilt umso mehr für Hochtemperatur‑ oder Raumtemperatur‑Supraleitung. Eine Zeit lang wurde angenommen, dass sie völlig unmöglich sei.
Dann tauchte der rätselhafte Fall von LK-99 (eine Form von kupferersetztem Bleiapatit – CSLA) auf, potenziell ein neuer Typ von Supraleiter bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur. Die Behauptung wurde sofort angezweifelt und als Schwindel oder Messfehler kritisiert, doch andere Forscher entdeckten, dass möglicherweise doch etwas vorliegt.
Neue Fortschritte in der theoretischen Physik, erzielt von Forschern der QMUL (Queen Mary University of London), der Universität Cambridge und Intellectual Ventures, könnten Aufschluss darüber geben, wie Raumtemperatur‑Supraleiter doch möglich sein könnten.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse1 im Journal of Physics: Condensed Matter unter dem Titel “Upper bounds on the highest phonon frequency and superconducting temperature from fundamental physical constants”.
Verständnis der TC Grenze
Jedes supraleitende Material wird durch einen Wert definiert, der TC (kritische Temperatur) genannt wird. Für die meisten Materialien mit supraleitendem Verhalten liegt TC kaum ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt.
Allerdings untersuchte diese neue Forschung, was die theoretischen Grenzen von TC sein könnten.
Eine solche Grenze wird durch fundamentale Kräfte und Konstanten des Universums bestimmt, wie die Elektronenmasse, die Elementarladung und die Planck‑Konstante.
Diese Arbeit beweist, dass diese Konstanten „eine obere Grenze für die Frequenz von Phononen in kondensierten Materiezuständen festlegen, also wie schnell ein Atom in diesen Zuständen schwingen kann“. Das wiederum bestimmt den unteren und oberen Bereich des möglichen TC, da Phononen vermitteln, welche supraleitende Temperatur erreicht werden kann.
Obere und untere Grenzen für TC
Die Mathematik und Teilchenphysik, die zur Bestimmung des möglichen TC verwendet werden, sind recht komplex und liegen außerhalb des Verständnisses von Laien. Ein Beispiel aus dem eigentlichen wissenschaftlichen Papier in seiner Einleitung:
„In unseren Dichtefunktional‑Theorie‑ (DFT‑) Berechnungen verwenden wir ähnliche Methoden wie in unserem früheren Papier. Dazu gehört die Nutzung des Perdew‑Burke‑Ernzerhof Austausch‑Korrelations‑Functionals, ein Energiekürzwert von 1200 eV und ein k‑Punkt‑Gitter mit einem Abstand von 2π×0.025 Å⁻¹ zur Abtastung der elektronischen Brillouin‑Zone.“
Einfach ausgedrückt untersucht das von den Forschern entwickelte Modell, wie hoch die Oszillationsfrequenz eines Atoms in Festkörpern oder Flüssigkeiten sein kann.
Dies würde die obere Grenze für die Supraleitung TC auf 100 bis 1.000 K festlegen, also -173,15 bis 726 °C / -279 bis 1340 °F. Damit wäre Supraleitung, zumindest theoretisch, bei Raumtemperatur vollständig machbar.
Es verankert den Raumtemperaturbereich eindeutig als mögliche Zone für Supraleitung und ändert radikal unsere frühere Vorstellung, dass Raumtemperatur‑Supraleitung theoretisch unmöglich sei.
Tieferes Verständnis des Universums
Die Ergebnisse wurden bereits in einer separaten Studie unabhängig bestätigt, was darauf hindeutet, dass diese detailliertere theoretische Analyse wahrscheinlich der physikalischen Realität entspricht.
Dies sollte das Feld der Supraleitungsforschung stark ankurbeln, da nun ein theoretischer Rahmen existiert, der besser erklärt, warum Raumtemperatur‑Supraleiter möglich sind.
„Diese Entdeckung zeigt uns, dass Raumtemperatur‑Supraleitung nicht durch fundamentale Konstanten ausgeschlossen wird. Sie gibt Wissenschaftlern Hoffnung: Der Traum lebt noch.“
Prof. Pickard – Physikprofessor an der Universität Cambridge
Ein solches tieferes Verständnis darüber, wie kondensierte Materie auf Teilchenebene funktioniert, sollte auch Ergebnisse in anderen Bereichen liefern, wie Materialwissenschaften, Elektronik oder Plasmaphysik.
Zukünftige Anwendungen
Raumtemperatur‑Supraleiter wären ein sofortiges Wundermaterial, wenn sie gut genug verstanden würden, um sie im großen Maßstab herzustellen.
Der erste unmittelbare Effekt wäre die Senkung der Kosten für bereits auf Supraleitung basierende Geräte, wie MRT, Magnetschwebebahnen, fortschrittliche Turbinen und Generatoren, Teilchenbeschleuniger, experimentelle Fusionsreaktoren usw.
Sie würde auch Technologien ermöglichen, die bisher entweder überhaupt nicht realisierbar waren oder aufgrund der technischen Beschränkungen von Tieftemperatur‑Supraleitern prohibitiv teuer waren.
Dazu gehören Hyperloop‑Züge, Massentreiber, um den Orbit zu erreichen, kommerzielle Kernfusion, interkontinentale Netzanbindungen usw. Jede dieser Technologien würde den Verlauf der menschlichen Zivilisation für immer verändern.
Führende Unternehmen im Bereich Supraleitungslösungen
AMSC Preisdiagramm
AMSC ist ein Unternehmen, das Energiesysteme für das Stromnetz, Schiffe und Windenergie bereitstellt. Im Allgemeinen gilt: Je energieintensiver oder größer ein System ist, desto mehr benötigt es supraleitende Technologie, um Überhitzung zu vermeiden.
Trotz seines Namens liefert ASMC nicht nur Supraleitungssysteme, sondern zum Beispiel auch Getriebeantriebe für Windturbinen.
Das Unternehmen profitiert von mehreren Wachstumstreibern, von der Elektrifizierung, der Digitalisierung (einschließlich KI‑Rechenzentren) bis hin zur Rückverlagerung von US‑Produktionskapazitäten und dem Bedarf der Marinen des anglophonen Raums, sich angesichts wachsender geopolitischer Risiken zu modernisieren.
Im Bereich Stromversorgung verzeichnet AMSC einen stetigen Anstieg der Aufträge. Dies wurde durch Halbleiterfabriken getrieben, die vor Schwankungen des Stromnetzes geschützt werden wollen, das Netz bei der Bewältigung der intermittierenden Natur erneuerbarer Energien unterstützen und Stromversorgungs‑ und Steuerungssysteme an Industrieanlagen.
Im Segment Windturbinen ist AMSC hauptsächlich mit dem Electrical Control System (ECS) aktiv. Historisch war ESC ein starkes Segment für das Unternehmen mit den 2‑MW‑Windturbinen, hat jedoch schrittweise abgenommen. AMSC strebt dank des neuen 3‑MW‑Turbinen‑Designs eine Erholung an, mit besonderem Fokus auf den indischen Markt.
Quelle: American Superconductor Corporation
Für Militärschiffe liefert ASMC das „AMSC High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure“, ein System, das die magnetische Signatur der Schiffe verändert, um sie vor Seeminen zu schützen. Dieses wird an die Marinen der USA, Kanadas und des Vereinigten Königreichs verkauft, bisher im Wert von 75 Mio. $ an Aufträgen.
Insgesamt erzielt ASMC die besten Ergebnisse, wenn es Supraleitungstechnologie in heute realisierbaren Nischenanwendungen nutzt, während es wahrscheinlich bereit ist, weitere Fortschritte in der Zukunft einzusetzen. Investoren sollten zudem beachten, dass die Aktie in der Vergangenheit extreme Volatilität gezeigt hat und die Risiken entsprechend kalkulieren.
Neueste Informationen zu American Superconductor Corporation
Studien zitiert:
1. K Trachenko, B Monserrat, M Hutcheon und Chris J Pickard.(2025) Upper bounds on the highest phonon frequency and superconducting temperature from fundamental physical constants. Journal of Physics: Condensed Matter. 37165401. 13 März 2025. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/adbc39
