Was ist ein Supraleiter und warum kann er die Welt verändern?

Möglicherweise sind Sie im Fernsehen, Radio oder in Ihren Lesematerialien auf das neueste Schlagwort gestoßen: die Entdeckung eines supraleitenden Materials mit außergewöhnlichen und bahnbrechenden Eigenschaften durch eine Gruppe südkoreanischer Forscher. Aber was genau ist ein Supraleiter und warum könnte er das Potenzial haben, die Welt zu revolutionieren?

Zunächst ist es wichtig zu verstehen, dass ein Supraleiter eine Substanz ist, die Elektrizität leiten kann. Jedes Material, das dem Fluss elektrischer Ladung einen minimalen Widerstand bietet, fällt in die Kategorie der Leiter. Normalerweise verlassen wir uns unter anderem auf Materialien wie Gold, Silber, Aluminium, Zinn oder Kupfer als Primärleiter für elektrischen Strom.

Die Herausforderung liegt in der Formulierung „bietet minimalen Widerstand“. Dies weist darauf hin, dass ein Teil der Elektrizität, die durch diese leitfähigen Materialien fließt, als Wärme abgegeben wird. In Bezug auf den Widerstand liegt Silber als Leiter mit dem geringsten Widerstand an der Spitze, gefolgt von Gold und Kupfer.

Supraleiter

Was ist ein Supraleiter?

Ein Supraleiter ist ein Material, das die einzigartige Fähigkeit besitzt, elektrischen Strom absolut widerstandslos zu leiten, was zu keinem Energieverlust führt. Diese bemerkenswerte Eigenschaft wurde erstmals 1911 von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes entdeckt.

Im Gegensatz zu „normalen“ Leitern weisen Supraleiter keinen elektrischen Widerstand auf. Das bedeutet, dass elektrischer Strom unbegrenzt durch ein supraleitendes Material fließen kann, ohne dass eine kontinuierliche Stromquelle erforderlich ist. Diese Eigenschaft ähnelt dem Ferromagnetismus oder dem Verhalten reiner Magnete, die Eisenelemente anziehen können, ohne dass eine elektrische Induktion erforderlich ist.

Supraleitende Materialien können in zwei Haupttypen eingeteilt werden:

1. Typ I: Diese Materialien erlauben es einem externen Magnetfeld nicht, ohne erheblichen Energieaufwand in sie einzudringen. Bei Überschreiten der kritischen Temperatur können sie plötzlich in einen nicht supraleitenden Zustand übergehen.

2. Typ II: Diese Materialien werden auch als „unvollkommene Supraleiter“ bezeichnet und ermöglichen dem Magnetfeld, durch Kanäle zu dringen, die als „Abrikosov-Wirbel“ oder „Fluxone“ bezeichnet werden.

Ein faszinierendes Merkmal von Supraleitern ist ihr Potenzial für zusätzliche Eigenschaften, beispielsweise die Levitation. Diese Eigenschaft eröffnet zahlreiche Möglichkeiten für praktische Anwendungen und Innovationen dieser Materialien.

Supraleiter-Magnetschwebebahn

Hauptprobleme von Supraleitern

Obwohl das Konzept der Supraleiter äußerst vielversprechend ist, sind mit ihrer praktischen Anwendung erhebliche Herausforderungen verbunden. Zu den Hauptproblemen von Supraleitern gehören:

Temperaturen: Supraleiter erfordern typischerweise extrem niedrige Temperaturen im Bereich von etwa -100 °C bis zum absoluten Nullpunkt (0 °K / −273.15 °C / −459.67 °F), um ihre supraleitenden Eigenschaften zu entfalten. Diese Einschränkung macht sie für viele Alltagsanwendungen unpraktisch, da die Aufrechterhaltung solch niedriger Temperaturen energieintensiv und teuer sein kann.

Druckscheiben: Einige Supraleiter, die bei höheren Temperaturen arbeiten, erfordern extrem hohe Drücke, um effektiv zu funktionieren. Dies kann ein erhebliches Hindernis für ihre praktische Anwendung darstellen, da die Erzeugung und Aufrechterhaltung solcher Drücke technisch anspruchsvoll und kostspielig sein kann. Teilweise sind Drücke von etwa 100,000 Erdatmosphären erforderlich.

Kosten: Die Entwicklung, Herstellung und effektive Nutzung von Supraleitern ist ein langsamer und teurer Prozess. Die Materialien und Technologien, die in der Supraleitungsforschung und -anwendung zum Einsatz kommen, können unerschwinglich kostspielig sein und ihre weitverbreitete Einführung behindern.

Zweifellos sind die Temperatur- und Druckanforderungen die größten Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Die Entwicklung von Supraleitern, die bei zugänglicheren Temperaturen und unter normalen atmosphärischen Bedingungen betrieben werden können, würde die Kosten erheblich senken und eine Vielzahl potenzieller Anwendungen in verschiedenen Branchen und Umgebungen eröffnen. Die Überwindung dieser Hürden ist unerlässlich, um das volle Potenzial von Supraleitern im praktischen Alltagseinsatz auszuschöpfen.

Ist LK-99 der ultimative Supraleiter?

Die größten Herausforderungen für Supraleiter liegen in ihren Betriebstemperatur- und Druckanforderungen. Nach diesen Hürden verlagert sich der Schwerpunkt auf die Entwicklung von Methoden für die Massenproduktion und die Reduzierung der Herstellungskosten.

Kürzlich hat ein Team südkoreanischer Forscher einen vielversprechenden Kandidaten namens LK-99-Supraleiter vorgestellt. Dieses Material ist eine Zusammensetzung aus Lanarkit- und Kupferphosphidmineralien.

Was LK-99 auszeichnet, ist seine bemerkenswerte supraleitende Eigenschaft, die bei Temperaturen von bis zu 127 °C und unter normalem Atmosphärendruck erhalten bleibt. Unter diesen gewöhnlichen Bedingungen zeigt das Material keinen Widerstand und zeigt sogar Magnetschwebewirkung. Erstaunlicherweise erfordert die Erzielung dieser Eigenschaften einen relativ einfachen Herstellungsprozess.

Supraleiter LK-99

Ein erheblicher Nachteil besteht jedoch darin, dass LK-99 bei erhöhten Temperaturen möglicherweise Schwierigkeiten hat, erhebliche elektrische Ströme zu leiten. Diese Einschränkung könnte in verschiedenen praktischen Anwendungen zu Herausforderungen führen.

Zahlreiche wissenschaftliche Teams weltweit arbeiten nun fleißig daran, diese bahnbrechende Entdeckung zu validieren. Es ist wichtig zu beachten, dass jede bedeutende Entdeckung einer genauen Prüfung durch andere Wissenschaftlergruppen unter ähnlichen Bedingungen unterzogen werden muss.

Derzeit scheinen die verfügbaren Daten konsistent zu sein und erste Simulationen legen die Gültigkeit der Entdeckung nahe. Dennoch ist es für verschiedene Forschungsgruppen von entscheidender Bedeutung, das Material zu synthetisieren und gründlich zu testen. Sollten sich seine Eigenschaften bestätigen, könnte dies möglicherweise zu einem sofortigen Nobelpreis führen, wie ein Doktor der organischen Chemie von der Duke University in North Carolina, USA, in der Zeitschrift Science feststellte.

Konklusion

Der Supraleiter LK-99 hat das Potenzial, unsere Welt zu revolutionieren. Es könnte die Schaffung von Dauerbatterien, Hochgeschwindigkeitszügen, die mühelos auf ihren Gleisen schweben, und Stromnetzen mit minimalen Verlusten ermöglichen. Darüber hinaus kann es unter anderem zu erheblichen Fortschritten in Bereichen wie Medizin, Kernenergie und Quantencomputing führen.