NUS entdeckt kupferfreies Material mit Hochtemperatur‑Supraleitung

Das Potenzial der Supraleitung

Strom ist eine der wichtigsten Technologien, die die Menschheit je erfunden hat. In seiner üblichen Form ist er immer mit einem gewissen elektrischen Widerstand verbunden, der Wärme erzeugt, wenn ein elektrischer Strom fließt.

Eine Alternative ist die Supraleitung, ein Phänomen, bei dem der elektrische Widerstand auf Null sinkt. Allerdings konnte sie über sehr lange Zeit nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachtet werden, nahe dem absoluten Nullpunkt (0 K) bzw. etwa -273 °C/-387 °K.

Das änderte sich mit einer Entdeckung, die 1987 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde: Hochtemperatursupraleiter aus Kupferoxiden.

Ohne Supraleitung wäre vieles moderne Technologie nicht möglich, darunter Teilchenbeschleuniger (zum Beispiel das CERN), MRTs und Magnetschwebebahnen.

Supraleitung wird ebenfalls ein entscheidender Bestandteil der vielversprechendsten Megaprojekte und technologischen Innovationen sein, wie ITER und Kernfusion, Massenantriebe, Quantencomputer usw.

Stromleitungen ohne Verlust könnten ebenfalls entscheidend für die Entwicklung ultra-langer Netzanbindungen sein, die die Produktion erneuerbarer Energien über Wetterbedingungen und Zeitzonen hinweg puffern und einige der Einschränkungen von Solar- und Windenergie lösen.

Hochtemperatur‑Supraleitung

Derzeit macht die Anforderung niedriger Temperaturen Supraleitung wirtschaftlich nur für High‑End‑Anwendungen: Magnetschwebebahnen, MRT usw. möglich.

Und obwohl sie wissenschaftlich interessant ist, ist Supraleitung unter hohem Druck in Bezug auf praktische Anwendungen relativ nutzlos.

In letzter Zeit hat sich im Bereich der Supraleitung einiges getan, das die Situation verändern könnte:

• Es scheint nun, dass das bei hohem Druck erzeugte Material seine Supraleitung zumindest teilweise bei niedrigerem Druck beibehalten kann durch ein experimentelles Verfahren namens Pressure‑Quench‑Protokoll (PQP).
• Twisted bilayer of WSe₂ (tungsten selenium) erwies sich ebenfalls als vielversprechender Materialkandidat für Hochtemperatursupraleiter.
• Eine weitere neue Klasse potenzieller Supraleiter, bilayer Nickelate, könnte dieses Jahr ebenfalls zur Liste hinzugefügt worden sein.
• 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.
  • Der Anspruch wurde sofort angezweifelt und als Schwindel oder Messfehler kritisiert, aber andere Forscher stellten fest, dass doch etwas vor sich gehen könnte.

Trotz dieser neuen Entdeckungen ist Supraleitung nach wie vor ein wenig verstandenes Phänomen, bei dem viele Versuche im Dunkeln unternommen werden, um neue Materialien mit dieser Eigenschaft zu finden. Daher ist ein besseres theoretisches Rahmenwerk erforderlich.

Ein Teil des Puzzles wurde im März 2025 gefunden, mit einem besseren Verständnis darüber, welche höheren Temperaturen für Supraleitung (Tc) möglich sind.

Ein weiteres ist die Entwicklung durch Forscher der National University of Singapore eines neuen theoretischen Modells, das bereits zur Entdeckung eines kupferfreien supraleitenden Materials geführt hat. Dieser Erfolg wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature¹ mit dem Titel „Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2 at ambient pressure“ veröffentlicht.

Neues Supraleitungsmodell

Erklärung der Supraleitung

Die Forscher arbeiteten an der Entwicklung eines neuen theoretischen Modells, das erklärt, wie Supraleitung funktioniert. Dies ist ein komplexes Thema, das mit wenigen Schlüsselkonzepten einfacher zusammengefasst werden kann:

Cooper‑Paare, also zwei durch einen quantenmechanischen Effekt gebundene Elektronen, sind ein Schlüsselelement, das ein Material supraleitend macht.

Die Kondensation von Cooper‑Paaren erzeugt die Supraleitung, zumindest nach den Forschern, die die Supraleitung ursprünglich erklärten (die Bardeen–Cooper–Schrieffer-Theorie, kurz BCS-Theorie), und dafür den Nobelpreis für Physik von 1972 erhielten.

Es sind die Phononen, also die quantenmechanischen Schwingungen des Kristallgitters, die das Bilden von Cooper‑Paaren bewirken. Sobald genügend Cooper‑Paare gebildet sind, können sich Elektronen durch das Material ohne Kollision bewegen, wodurch der elektrische Widerstand eliminiert wird.

Vorhersage und Herstellung neuer Supraleiter

Das neue Modell zur Vorhersage der Cooper‑Paar‑Bildung hilft den Forschern, zahlreiche potenzielle Supraleiter vorherzusagen, darunter viele, die keinerlei Kupferatome enthalten.
Sie synthetisierten anschließend erfolgreich eines der vorhergesagten Materials: Samarium‑Europium‑Kalzium‑Nickel‑Oxid (Sm‑Eu‑Ca)NiO₂.

“Wie wir vorhergesagt und entworfen haben, zeigt dieses kupferfreie supraleitende Oxid bei atmosphärischem Druck auf Meereshöhe Hochtemperatursupraleitung, ohne dass zusätzliche Kompression nötig ist – genau wie Kupferoxide.

Diese Erkenntnis legt nahe, dass unkonventionelle Hochtemperatursupraleitung nicht ausschließlich auf Kupfer beschränkt ist, sondern eine weiter verbreitete Eigenschaft unter den Elementen des Periodensystems sein könnte.

Dr. Stephen Lin Er Chow – Forscher an der National University of Singapore

Sie bestätigten zudem, dass dieses Material bei deutlich über 30 K keinen elektrischen Widerstand (Supraleitung) aufweist. Das ist nicht nur ein neues zu untersuchendes Material, sondern ein Beweis dafür, dass das von ihnen verwendete Modell Vorhersagekraft besitzt, was wahrscheinlich bedeutet, dass das andere vorhergesagte supraleitende Material ebenfalls funktionieren könnte. Dies ist die erste Entdeckung eines solchen Hochtemperatursupraleiters seit den 1990er‑Jahren.

Zhaoyang Luo, ein Doktorand der National University of Singapore, demonstrierte die hohe Kristallinität und die reine Phasenbeschaffenheit des synthetisierten Materials mittels Elektronenmikroskopie. Dies macht das neue Material sehr stabil und zu einem guten Kandidaten für mögliche zukünftige industrielle Anwendungen.

„Dies ist das erste Mal seit der Nobelpreis‑gekrönten Entdeckung, dass ein kupferfreies Hochtemperatursupraleitungs‑Oxid unter Umgebungsdruck funktionsfähig ist.

Zusätzlich ist dieses neue Material unter normalen Bedingungen hochstabil, was seine Zugänglichkeit erheblich verbessert.

Prof. Ariando – Professor an der National University of Singapore

Die Produktionsmethode des neuen Materials ist ebenfalls recht robust, wobei während des Prozesses keine strukturellen Defekte auftreten, was das Potenzial für praktische Anwendungen weiter erhöht.

Anwendungen und zukünftige Entwicklung

Da sie nun ein solides theoretisches Rahmenwerk besitzen, können die Forscher versuchen, bestimmte Parameter der supraleitenden Materialien fein abzustimmen. Insbesondere erwähnen sie atomare und molekulare Eigenschaften wie die Verschiebung der elektronischen Besetzung und den hydrostatischen Druck.

Dies könnte den Weg zu völlig neuen Supraleitertypen oder sogar zu einer neuen Familie von Supraleitern mit noch höheren Betriebstemperaturen ebnen.

Jeder Hochtemperatursupraleiter, der in großem Maßstab hergestellt werden kann, könnte zwei Hauptauswirkungen haben:

• Die Kosten der derzeitigen Supraleiter‑technologien drastisch senken und deren Nutzung demokratisieren, insbesondere bei Magnetschwebebahnen und MRTs.
• Neue Anwendungsbereiche erschließen, insbesondere wenn die Tc‑Temperatur hoch genug ist, um flüssigem Stickstoff (-196 °C / -320 °F) zu entsprechen, einem viel günstigeren und leichter herstellbaren Kühlmittel als die derzeit für supraleitende Materialien verwendeten.
  • Diese neuen Anwendungen könnten die Stromübertragung, Energiespeicherung, Laser, Schiffe, Raumfahrtantriebe & den Zugang zur Erdumlaufbahn (Massenantriebe) usw. umfassen.

Diese Beobachtung hat tiefgreifende Auswirkungen sowohl für das theoretische Verständnis als auch für die experimentelle Realisierung eines breiteren Spektrums supraleitender Materialien mit praktischen Anwendungen in der modernen Elektronik,

Prof. Ariando – Professor an der National University of Singapore

Führende Unternehmen für Supraleitungslösungen

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 Supraleitungstechnologie, um Überhitzung zu vermeiden.

Trotz seines Namens liefert ASMC nicht nur Supraleitungssysteme, sondern beispielsweise auch Getriebeantriebe für Windturbinen.

Das Unternehmen profitiert von mehreren Wachstumstreibern, von der Elektrifizierung und Digitalisierung (einschließlich KI‑Rechenzentren) bis hin zur Rückverlagerung von US‑Produktionskapazitäten und dem Bedarf der Marinen des angelsächsischen Raums, sich angesichts wachsender geopolitischer Risiken zu modernisieren.

Im Bereich Stromversorgung verzeichnet AMSC einen stetigen Anstieg der Aufträge. Dieser wurde durch Halbleiterfabriken getrieben, die sich vor Schwankungen des Stromnetzes schützen wollen, das Netz bei der intermittierenden Natur erneuerbarer Energien zu unterstützen und die Stromversorgung & Steuerungen an Industrieanlagen.

Im Windturbinensegment ist AMSC hauptsächlich mit dem Electrical Control System (ECS) aktiv. Historisch war ESC ein starkes Segment für das Unternehmen mit 2‑MW‑Windturbinen, hat jedoch allmählich an Bedeutung verloren. AMSC strebt dank des neuen 3‑MW‑Turbinendesigns eine Erholung an, wobei der indische Markt besonders im Fokus steht.

Für Militärschiffe liefert ASMC das „AMSC High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure“, ein System zur Veränderung der magnetischen Signatur von Schiffen, 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, indem 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.

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Studienreferenzen:

^{1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) A. Massen‑Supraleitung bei etwa 40 K in lochdotiertem SmNiO2 bei Umgebungsdruck2. Nature. 20 März 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4}