Fortschritte in der Supraleitung ebnen den Weg für eine neue technologische Revolution

Grenzen der Supraleitung

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

Eine Alternative existiert, das sogenannte supraleitende Material. Supraleitende Materialien besitzen einen elektrischen Widerstand von null, wodurch extrem starke Ströme ohne Wärmeentwicklung oder starke Magnetfelder genutzt werden können.

Ohne Supraleitung wären viele moderne Technologien nicht möglich, darunter Teilchenbeschleuniger, MRT und Magnetschwebebahnen.

Das Problem ist, dass all diese Anwendungen auf Niedertemperatur‑Supraleitung basieren, bei der die Materialien nur bei sehr niedrigen Temperaturen wie 20 K / ‑253 °C / ‑423 °F supraleitend sind, beispielsweise mit flüssigem Helium.

Für einige Anwendungen, wie Magneten in experimentellen Fusionsreaktoren, kann die erforderliche Temperatur sogar bei 4 K liegen (nur 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt), obwohl sich dies verbessert (siehe unten).

Such extremely low temperatures are hard to maintain and consume a lot of energy. So, while other technologies & applications could benefit from superconductivity, it is rarely economically viable to do so.

Hochtemperatur‑Supraleitung

This is why the prospect of materials being able to stay superconductive at higher temperatures is an exciting prospect. In that context, “high” temperature can be as cold as -185°C to -135°C but this is a lot more easy to reach than the traditional superconductive temperature, using liquid nitrogen instead of liquid helium.

But of course, the ideal material would be superconductive at temperatures just below freezing or even room temperature.

Supraleitung bei Raumtemperatur

Im Sommer 2023 ging ein Nachrichtenbeitrag viral, nachdem ein wissenschaftlicher Artikel mit dem Titel “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor” veröffentlicht wurde. Ein Material namens LK-99 wurde beschrieben, das bis zu 127 °C / 260 °F supraleitend funktioniert. Dass es aus üblichen Materialien wie Kupfer und Blei (kupfersubstituiertes Bleiaapatit – CSLA) besteht, erhöhte das Potenzial der Entdeckung.

Kupferkristalle – Quelle: DOE

Es löste sogar eine Mikroblase an Aktien aus, die mit Supraleitung in Verbindung stehen, zum Beispiel einen Anstieg von +60 % bei den Aktien von American Superconductor (AMSC ).

Der Anspruch wurde sofort angefochten und als schwer reproduzierbar befunden.

LK-99‑Supraleitungsgeschichte

Aber diese Geschichte ist noch nicht zu Ende. Im Januar 2024 haben zwei weitere Forschungsteams ebenfalls das Potenzial von LK‑99 für Supraleitung beobachtet.

Interessanterweise hat jedes Team seine eigene Version von LK‑99 durch unterschiedliche Herstellungsverfahren reproduziert, was darauf hindeutet, dass die beobachteten Ergebnisse wahrscheinlich mehr mit dem Material selbst zusammenhängen als mit möglichen Verunreinigungen oder Fehlern.

Es gibt also Hoffnung, dass es sich nicht um einen Fehlalarm handelt. Anscheinend ist der Herstellungsprozess derzeit extrem ineffizient, sodass ein Test leicht negativ ausfallen kann.

Daher ist es vielleicht nicht überraschend, dass die Replikation der ursprünglichen Entdeckung von LK‑99 alles andere als einfach war.

“…selbst Proben, die nach dem derzeit besten bekannten Verfahren (dem von ihnen verwendeten) synthetisiert wurden, enthalten einen hohen Prozentsatz nicht‑supraleitenden Materials, das mit den angeblich supraleitenden Anteilen vermischt ist. In einem solchen Szenario ist es leicht, Proben fälschlicherweise als defekt zu deklarieren, selbst nach deren Testung.

Eine der supraleitenden Proben, auf denen sie ihr Papier stützten, wurde bereits im November 2023 hergestellt, als Fehlversuch eingestuft und stand an mehreren Stellen ihres Lebens kurz davor, entsorgt zu werden.”

Quelle: Tom’s Hardware

Potenzial der Supraleitung

Selbst wenn Supraleiter bei Raumtemperatur weiterhin schwer zu erreichen bleiben, könnten Forscher einen Weg finden, Materialien bei Temperaturen von bis zu „hohen“ -80 °C bis -70 °C supraleitend zu halten.

Das würde die möglichen Anwendungen grundlegend verändern, da die Supraleitung dann auf Kühltechnologien zurückgreifen könnte, die in Gefriergeräten für mRNA‑Impfstoffe verwendet werden, anstatt teurerem flüssigem Helium oder Stickstoff.

Zu den bereits in den 1990er‑Jahren diskutierten Anwendungsmöglichkeiten gehören:

• Bessere MRT, mit höherer Auflösung und geringeren Bau‑ und Betriebskosten, ermöglicht, dass sie zu einer viel routinemäßigeren medizinischen Untersuchung wird.
• Elektromagnetische Schubantriebssysteme (auch magnetohydrodynamische (MHD)-Antriebe genannt), um Schiffe durch Elektrifizierung des Meerwassers anzutreiben.
• Leistungsstärkere und effizientere elektrische Motoren.
• Höhere Energiedichte und sicherere Batterien mit Supraleitender Magnetischer Energiespeicher (SMES).
• Supraleitende Begrenzungsgeräte, Schalter und Sicherungen zur Verbesserung der Infrastruktur des Stromnetzes.
• Langstrecken-Stromübertragung ohne Verluste, die die Effizienz erneuerbarer Energien steigern könnte, zum Beispiel indem Solarpaneele, die noch in der Sonne stehen, eine Stadt Tausende Kilometer entfernt versorgen.
• Günstigere und leichter zu wartende Magnetschwebebahnen oder später Hyperloop‑Systeme.
• Sensoren/Magnetometer (Supraleitende Quanteninterferenzgeräte – SQUIDs) für den Einsatz in industriellen Umgebungen.
• Supraleitendes Quantencomputing
  • (Weitere Informationen zum Fortschritt des Quantencomputings finden Sie in unserem Artikel „The Current State of Quantum Computing “).
• Verteidigungs‑ und Raumfahrtanwendungen, einschließlich Strahlenschutz, elektromagnetischer Starts, magnetischer Lager, Sensoren, Railguns, Coilguns, Laser und anderer Energiewaffen.

Quelle: DOE

Supraleitung und Kernfusion

Kernfusion ist eine weitere Anwendung, die stark von Supraleitern profitieren würde, die bei höheren Temperaturen funktionieren.

Alle verschiedenen Methoden zur Erreichung kommerzieller Kernfusion beruhen auf extrem starken Magneten, die das bei Zehntausenden bis Hunderten Millionen Grad erhitzte Plasma einschließen und komprimieren.

Nach einem ersten Erfolg im Jahr 2021 arbeitete ein Forschungsteam des Plasma Science and Fusion Center (PSFC) am MIT daran, einen supraleitenden Magneten zu entwickeln, der stark genug ist, um in Kernfusionsreaktoren eingesetzt zu werden.

Das neue Design des Fusionsmagneten ist bei 16 K supraleitend statt zuvor bei 4 K. Eine zentrale Innovation ist die Entfernung aller Isolierung um den leitenden Draht des Magneten. Dadurch wurde Platz für weitere Verbesserungen geschaffen, etwa ein einfacherer Fertigungsprozess oder höhere strukturelle Festigkeit.

Quelle: Phys.org

“Vor der Demonstration am 5. September waren die besten verfügbaren supraleitenden Magneten zwar stark genug, um potenziell Fusionsenergie zu erzeugen – jedoch nur in Größen und zu Kosten, die niemals praktisch oder wirtschaftlich tragfähig wären. Als dann die Tests die Praktikabilität eines solch starken Magneten bei stark reduzierter Größe zeigten, „veränderte es über Nacht praktisch den Preis pro Watt eines Fusionsreaktors um fast das 40‑fache an einem Tag“.”

Dennis Whyte – Hitachi America Professor of Engineering

Sie veröffentlichten ihre Entdeckungen in einer Zusammenstellung von 6 wissenschaftlichen Artikeln, veröffentlicht in IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Sie erklärten im Detail, wie man solche 16 K Fusionsmagneten baut, die ein Magnetfeld von bis zu 20 Tesla (TSLA ) erzeugen.

Grenzen testen

Um zu beweisen, dass das neue Fusionsmagnetdesign sicher funktionieren kann, setzten sie es aktiv schwierigen Bedingungen aus. Der letzte Test führte dazu, dass der Magnet in einer Ecke teilweise schmolz. Dennoch überlebten die meisten Magnetkomponenten (über 95 %), was die Robustheit des Designs demonstrierte.

Ebenso beeindruckend war, dass das Modell der Forscher den Ausfall des Magneten exakt vorhergesagt hatte.

Die Erfahrung testete zudem die Lieferkette für ein solches Material, wobei 300 Kilometer (186 Meilen) Hochtemperatur‑Supraleiter in Zusammenarbeit mit CFS (Commonwealth Fusion Systems, ein MIT‑Spin‑off-Unternehmen) verwendet wurden.

Die Zukunft des fusions‑supraleitenden Magneten

Noch eine Weile werden Fusionsreaktoren auf gut verstandene und getestete Supraleiter zurückgreifen, die flüssiges Helium verwenden, um unter 20 K zu bleiben.

Allerdings scheint die Hochtemperatur‑Supraleitung nicht nur möglich, sondern wahrscheinlich bei deutlich handhabbareren Temperaturen realisierbar zu sein.

Langfristig könnten solche supraleitenden Magneten die Leistung von Fusionsreaktoren verbessern und gleichzeitig deren Kosten senken, was die kommerzielle Rentabilität ermöglichen würde.

Damit würde eine nahezu unbegrenzte Energiequelle für die Menschheit erschlossen, wodurch unsere aktuellen Probleme in Bezug auf Lebensmittelproduktion, Entsalzung, Klimawandel, Raumfahrt usw. trivial würden.