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Jubiläum

Schwindender Widerstand

Physiker staunen seit 100 Jahren über Supraleiter – doch bis heute gibt es nur wenige kommerzielle Anwendungen.

Schwindender Widerstand Schwindender Widerstand
ENERGLOBE.DE, Denny Rosenthal

Seit der Entdeckung der verlustfreien Stromleiter im April vor 100 Jahren sind Supraleiter eine Spielwiese für Laborphysiker. Bis heute gibt es zwar nur wenige kommerzielle Anwendungen für das Stromsparwunder. Doch der Supraleiter könnte künftig das gesamte Stromnetz revolutionieren. Wie, das erläutert ein Siemens-Experte gegenüber ENERGLOBE.DE.

Das kann einfach nicht stimmen, bestimmt handelt es sich um einen Messfehler. So zweifelte der Physiker Heike Kamerlingh Onnes an der niederländischen Universität Leiden, als er im April 1911 den Widerstand von Quecksilber erfasste. Mit Hilfe von flüssigem Helium kühlte er das Metall auf vier Grad über dem absoluten Nullpunkt herunter, minus 269 Grad Celsius. Drei Mal ließ er seine Mitarbeiter nachmessen, bevor er für den elektrischen Widerstand notierte: Quecksilber nahe null der Supraleiter war geboren.

Die Sprungtemperatur

Der Widerstand im Stromleiter entsteht normalerweise durch Reibung von Elektronen mit den Atomen eines Festkörpers. Beim Supraleiter fließt der Strom quasi verlustfrei durch das Material. Wenn der ohmsche Widerstand bei einer bestimmten Gradzahl schwindet, sprechen Forscher von einer Sprungtemperatur. Bereits zwei Jahre später erhielt Onnes für seine Entdeckung und für das Verflüssigen von Helium den Nobelpreis für Physik.

Doch erklären konnte Onnes seine Entdeckung nicht. Ebenso ratlos standen brilliante Köpfe wie Albert Einstein oder Werner Heisenberg vor dem Phänomen. Denn die drei Voraussetzungen für Supraleiter waren damals noch nicht bekannt. Es gibt drei kritische Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen: Arbeitstemperatur, Stromdichte und äußeres Magnetfeld.

Anwendung in der Medizintechnik

Fortschritte in der Praxis ließen deshalb mehr als 50 Jahre auf sich warten. Seit den siebziger Jahren werden supraleitende Magnetspulen bei der Kernspintomographie eingesetzt, um detailreiche Bilder vom Inneren des menschlichen Körpers zu bekommen. Supraleiter werden außerdem in diversen Forschungslabors eingesetzt, da sie sehr stabile Magnetfelder erzeugen. So werden sie unter anderem im Teilchenbeschleuniger LHC am Kernforschungszentrum Cern bei Genf in der Schweiz und dem internationalen Kernfusionsprojekt Iter im Labor Cadarache in Südfrankreich eingesetzt.

Für die gekühlten Leiter herrschte lange Eiszeit. Erst mit der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS), die heute 25 Jahre zurückliegt, machte die Technik einen weiteren Sprung. Die IBM-Tüftler Johannes Bednorz und Karl Müller entdeckten ein neues Material. Kupferoxid hatte eine viel höhere Sprungtemperatur als alle bis dato bekannten Stoffe. Dies läste einen neuen Forschungsboom aus. Schon bald wurden Sprungtemperaturen von minus 196 Grad Celsius erreicht. Eine entscheide Verbesserung, denn nur dadurch konnte weitaus billigeres Stickstoff statt Helium zum Kühlen verwendet werden. Dennoch ist der Einsatz von Supraleitern kaum wirtschaftlich darstellbar.

Warten auf die Revolution

Bei Unternehmen wie Siemens ist das Thema seit langem auf dem Radarschirm. „Wenn es gelänge die supraleitenden Kabel wirtschaftlich darzustellen und technisch zuverlässig zu realisieren“, wäre das eine Revolution für das Stromsystem, stellt Michael Weinhold fest. Er ist als Chief Technology Officer und Querdenker bei Siemens Energy für Innovationen verantwortlich. Die Stromnetze könnten anders gebaut werden, weil nur noch niedrigere Spannungen gebraucht würden, erklärt Weinhold. Dies ist mittelfristig allerdings nicht zu erwarten. Neben den Kosten gibt es grundsätzliche Probleme bei der Zuverlässigkeit und Wartung, verursacht durch die Tatsache, dass es notwendig ist, das gesamt System dauerhaft zu kühlen. „Auf absehbare Zeit sind andere innovative technische Lösungen wie die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) und gasisolierte Leitungen (GIL) für die allermeisten Anwendungen die bessere Alternative“, meint Weinhold.

Eine aktuelle Studie unter der Federführung des Karlsruher Instituts für Technologie untersucht die Wirtschaftlichkeit eines Hochtemperatur-Supraleiters im Innenstadtgebiet von Essen. Ergebnis: Ein 110 Kilovolt-Kabel kann durch einen zehn Kilovolt-Hochspannungs-Supraleiter ersetzt und langfristig wirtschaftlicher betrieben werden als ein Kupfer-Hochspannungskabel. Laut Studie benötigen die HTS weniger Platz, verringern die Stromverluste und sparen Umspannstationen ein.

Supraleiter suchen ihren Platz

Bis heute existieren aber nur wenige Pilottrassen. Den weltweiten Rekord hält eine 600 Meter lange Supraleitung, die 2008 unter den Straßen von Long Island bei New York verlegt wurde. Aber die Forschung scheint sich langsam zu lohnen: „Flexible Leiter können heute über denselben Querschnitt 200-mal mehr Strom transportieren als Kupferdraht, ohne sich dabei zu erwärmen“, so Werner Prusseit, Chef der Spezialfirma Theva, die in Ismaning bei München Dünnschichttechnik herstellt. Im letzten Jahr seien weltweit gerade genug HTS-Leiter für fünf Kilometer Hochleistungskabel hergestellt worden, so Prusseit. „Die Kosten müssen je nach Anwendung um das Vier- bis Zehnfache sinken, um mit Kupfer zu konkurrieren.“

Neben dem Stromtransport gibt es für die Supraleitung allerdings noch weitere Einsatzorte. Bei Windenergieanlagen etwa spielen Größe und Gewicht eine entscheidende Rolle – supraleitende Generatoren könnten sich durch ihre kompakte Bauart bald lohnen und die Energieausbeute der Windanlagen entscheidend steigern. Anwendungen auch bei schnell rotierenden Generatoren sind denkbar. Diese Materialeinsparung sichert zudem künftig wichtige Ressourcen. Auch als Strombegrenzer können sie ihren Platz finden, prophezeit Weinhold. „Bei einem Kurzschluss steigt der Widerstand der supraleitenden Einheit aufgrund der höheren Temperatur rasant an – so wird der Stromfluss begrenzt.“ Kurioserweise könnte sich das Material 100 Jahre nach seiner Entdeckung nicht als Stromleiter, sondern als Stromstopper rentieren.

Weitere Informationen:

Infos und Artikel über Supraleiter: www.weltderphysik.de

Biographie von Heike Kamerlingh Onnes: http://nobelprize.org

Übersicht über Supraleiterforschung und -projekte: www.bine.info

»DIE KRISE DER IDEE VON EINER WELTORDNUNG

(IST) DAS ULTIMATIVE INTERNATIONALE

PROBLEM VON HEUTE«

Henry Kissinger,„World Order”, August 2014