Wo sind eigentlich die Supraleiter?
Supraleiter sind Materialien mit äusserst speziellen Eigenschaften: Sie transportieren elektrischen Strom praktisch verlustfrei und verdrängen Magnetfelder aus ihrer Struktur. Anhand einer Modell-Schwebebahn erklären Ihnen Forschende des Physik-Instituts der Universität Zürich die Besonderheiten von Supraleitern und wie mit ihnen im Alltag Energie eingespart werden könnte.
Im äusseren Magnetfeld schwebender Supraleiter
Maglev MLX01-901, Spitzengeschwindigkeit 581km/h
Die verlustfreie Leitung des elektrischen Stroms, die sogenannte Supraleitung, fasziniert seit ihrer Entdeckung durch Heike Kamerlingh Onnes im Jahre 1911. Onnes’ Hauptinteresse galt der Verflüssigung von Gasen. Für seine Erfolge in der Tieftemperaturphysik wurde ihm 1913 der Nobelpreis zugesprochen.
Das Arbeitsprogramm der Forschungsgruppe umfasste auch die Untersuchung von Phänomenen wie etwa der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen bei tiefsten Temperaturen. Dies führte dann vor gut 100 Jahren zur überraschenden Entdeckung, dass in Quecksilber bei Temperaturen unter 4,15 Kelvin, was in etwa -269 °C entspricht, der elektrische Widerstand verschwindet (sogenannte Sprungtemperatur).
Supraleiter weisen neben perfekter Leitfähigkeit ein zweites wichtiges Merkmal auf: Magnetfelder werden bis zu einer bestimmten Stärke aus dem Inneren des Leiters verdrängt. Beides sind vielversprechende Eigenschaften für energieeffiziente und andere, technologisch höchst interessante Anwendungen: Energietransfer im Stromnetz ohne Leitungsverluste, supraleitende und damit reibungsfreie Magnetlager, kompakte Elektromotoren aus Supraleiterspulen, oder allgemeiner, Magnete jeglicher Art.
Prinzipiell kein Problem, wäre da nicht die Tatsache, dass die Sprungtemperatur der heute bekannten supraleitenden Materialen immer noch relativ tief ist. Alle technischen Realisierungen werden dadurch erschwert, dass sie zum Betrieb energieaufwändige Kühlung benötigen.
Zur Veranschaulichung der Hochtemperatur-Supraleitung zeigt das Physik-Institut der Universität Zürich an der «Scientifica 2011» eine selbstkonstruierte Modell-Magnetschwebebahn. Dabei wurden Supraleiter aus Kupferverbindungen im Schwebematerial und starke Permanentmagnete in der Schiene verbaut. Die notwendige Kühlung wird mit flüssigem Stickstoff sichergestellt. Der natürliche Stickstoffvorrat ist fast unerschöpflich, da unsere Luft zu etwa 70 % aus Stickstoffgas besteht. Dessen Verflüssigung kann technisch einfach bewerkstelligt werden, was Stickstoff – auch wegen der relativ hohen Temperatur von Flüssigstickstoff von -196°C – zur alltagstauglichen Kühlflüssigkeit macht. Für die Beschleunigung des präsentierten Schwebezuges, die aufgrund der Bremswirkung des Luftwiderstandes nötig ist, sorgt ein durch Photozellen gesteuerter Druckluftstrahl. Anhand dieses Schauobjekts erklären Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Eigenschaften und Potenziale der faszinierenden Supraleitung mit einer klirrend kalten Zugkomposition, die schwebend über die Magnetschiene saust.
Beteiligte
Prof. Hugo Keller
Dr. Stephen Weyeneth
Stefan Steiner