Heutzutage vergehen die Nachrichten nicht lange, ohne dass irgendeine Art von Supraleiter-Ankündigung erfolgt. Leider gibt es mehrere Kategorien: Materialien, die höhere Temperaturen als frühere Materialien erfordern, aber dennoch kryogene Kühlung erfordern, Materialien, die sehr hohe Drücke erfordern, oder Materialien, die bei näherer Betrachtung keine wirklichen Supraleiter sind. Aber es ist klar, dass der Heilige Gral ein supraleitendes Material ist, das bei angemessenen Temperaturen bei Umgebungstemperatur funktioniert. Die meisten Leute nennen das einen Raumtemperatur-Supraleiter, aber in Wirklichkeit möchte man eigentlich einen „normalen Temperatur- und Druck-Supraleiter“, aber das ist eine Lüge.

Im Hackaday-Bunker haben wir darüber nachgedacht, was wir tun werden, wenn der Tag kommt, an dem es jemand schafft. Es ist nicht so, dass wir eine Menge unvollendeter Projekte haben, für deren Fertigstellung wir Supraleiter benötigen. Was machen wir mit einem Raumtemperatur-Supraleiter, außer es einfacher zu machen, Magnete schweben zu lassen?

Grundlagen

Wir zeichnen Schaltpläne, als ob Drähte keinen Widerstand hätten. Aber im wirklichen Leben stimmt das nicht. Elektronen, die durch einen Draht fließen, verursachen einen gewissen Verlust. Im Jahr 1911 leistete jedoch die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes Pionierarbeit in der Tieftemperaturforschung. Damals wurde allgemein angenommen, dass eine Senkung der Temperatur eines Metalls zwar den Widerstand verringerte, es aber wahrscheinlich war, dass beim absoluten Nullpunkt die Elektronen unbeweglich wären und daher bei dieser Temperatur kein elektrischer Strom fließen würde. Onnes beobachtete genau das Gegenteil. Er begann mit Quecksilber und beobachtete, dass bei 4.2 K, sehr nahe dem absoluten Nullpunkt, der spezifische Widerstand des Materials abrupt auf Null sank.

Natürlich ist es ein großes Problem, Materialien in die Nähe von 4.2 K zu bringen. Beispielsweise siedet flüssiger Stickstoff – der normalerweise in Laboren verwendet wird, wenn man etwas Kaltes möchte – bei 77 K. Selbst dann ist die Kühlung mit flüssigem Stickstoff für die meisten Anwendungen nicht sehr praktisch. Es gibt jedoch einige Keramikmaterialien, die Supraleitung über 90 K aufweisen, so dass es heute möglich ist, Supraleiter zu verwenden, wenn man bereit ist, mit etwas wie flüssigem Stickstoff zu kühlen.

Supraleiter weisen keine elektrischen Verluste auf, sodass ein Strom in einer Schleife aus supraleitendem Material ewig fließen kann. In Experimenten wurde beobachtet, dass sich Ströme fast drei Jahrzehnte lang in einer Schleife ohne messbare Verluste fortbewegen, und die Orien gehen davon aus, dass die Ströme mindestens 100,000 Jahre, wenn nicht sogar länger als die Lebensdauer des Universums, anhalten würden.

Die Physik dahinter ist haarsträubend. In Normalleitern fließen Elektronen über ein Ionengitter. Einige Elektronen kollidieren mit den Ionen und wandeln einen Teil ihrer Energie in Wärme um. In einem Supraleiter binden sich die Elektronen in schwachen Paaren, den sogenannten Cooper-Paaren. Die Paare bilden eine Art Superflüssigkeit, die ohne Energieverlust fließen kann. Eine ausführlichere Erklärung finden Sie im Video unten.

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Eine wichtige Erkenntnis über die Supraleitung ist, dass sie oberhalb bestimmter Stromstärken und Magnetfeldstärken verschwindet. Daher ist es neben der Charakterisierung von Supraleitern anhand ihrer kritischen Temperatur und ihres kritischen Drucks auch wichtig, die kritische Stromdichte und die kritischen Magnetfeldstärken zu kennen.

Offensichtliche Fälle

Heutzutage werden Supraleiter an mehreren Stellen eingesetzt: SQUID (Supraconducting Quantum Interference Devices) sind sehr empfindliche Magnetometer, die Josephson-Kontakte verwenden, Supraleiter mit einer dünnen isolierenden Komponente. Diese sind in Laboren, MRT-Geräten und Quantencomputern üblich. Auch die Ortung von U-Booten ist damit möglich. Sie müssen keine großen Strömungen passieren und sind keinen starken Feldern ausgesetzt. Wenn man Supraleiter bei Raumtemperatur hätte, könnte man vermutlich Josephson-Übergänge damit bilden, und alle diese Geräte wären kostengünstiger und einfacher zu bedienen.

Ein weiterer Ort, an dem wir Supraleiter bereits sehen, sind Elektromagnete für Dinge wie MRTs, Teilchenbeschleuniger, schwebende Züge und Fusionsreaktoren. Dabei handelt es sich um Anwendungen, die hohe Ströme erfordern oder starken Magnetfeldern ausgesetzt sind. Heutzutage benötigen alle diese Anwendungen flüssigen Stickstoff oder flüssiges Helium. Wenn künftige Raumtemperatur-Supraleiter ebenfalls hohe kritische Stromdichten aufweisen, könnte man kostengünstig sehr starke Elektromagnete bauen.

Sicherlich würden Orte, an denen wir heute kalte Supraleiter verwenden, einfach besser werden. Es gibt aber auch mehrere neue Anwendungen, die Sie heute durchführen könnten, aber der Kühlaufwand ist zu unerschwinglich. Natürlich hängt ein Teil davon von den Eigenschaften des unbekannten magischen Materials ab. Beispielsweise hört man oft sagen, dass elektrische Übertragungsleitungen Supraleiter sein könnten. Das stimmt, aber nur, wenn sie hohe kritische Magnetfeldparameter haben, denn sonst funktionieren sie bei Wechselstrom nicht wirklich. Andererseits verwenden wir Wechselstrom teilweise als Absicherung gegen Verluste. Wenn Sie also bereit wären, das gesamte System zu ändern, könnten Sie möglicherweise supraleitende Kabel verwenden, um niedrigere Gleichspannungen über große Entfernungen zu übertragen, aber dann verlassen Sie sich auf einen hohen kritischen Wert Stromdichte.

Consumer Elektronik

Wir sind uns nicht ganz sicher, was Supraleiter für die Unterhaltungselektronik leisten werden. Bessere Magnete bedeuten möglicherweise bessere Motoren, sodass Ihre elektrische Bohrmaschine möglicherweise leichter und leistungsstärker ist. Ein geringerer Widerstand der Komponenten könnte zu einem geringeren Wärmeverlust und einer längeren Batterielebensdauer führen. Man hört oft, dass Supraleiter dazu führen, dass Telefone mehrere Wochen lang aufgeladen werden müssen. Vielleicht, aber unsere Vermutung stimmt nicht sofort. Wir bezweifeln, dass der Verbindungsverlust wirklich der Grund für die Entladung Ihres Telefonakkus ist. Es stimmt jedoch, dass Komponenten, die weniger Ineffizienzen aufweisen, zu einer längeren Batterielebensdauer führen können. Es könnte auch ein schnelleres Laden ermöglichen. Schließlich ist das GaN-Laden effizienter, weil es weniger Wärme erzeugt als herkömmliche Elektronik. Noch schneller wäre ein supraleitendes Ladegerät.

Im Allgemeinen kann man davon ausgehen, dass warme supraleitende Elektronik in der Lage ist, mehr Strom auf kleinerem Raum zu verarbeiten. Es wird vermutet, dass sie auch schneller sein könnten. Eary-Josephson-Kontakte (zugegebenermaßen in flüssigem Helium) waren viel schneller als die damals verwendeten herkömmlichen Transistoren. Natürlich sind Transistoren heute besser, aber vermutlich würde ein weit verbreiteter Einsatz supraleitender Übergänge auch Verbesserungen bringen.

Was wirst du machen?

Die Wahrheit ist jedoch: Da wir die Eigenschaften des Raumtemperatur-Supraleiters nicht kennen, wissen wir nicht, was er bringen kann oder nicht. Vielleicht haben Sie kein supraleitendes Mobiltelefon, weil es sich selbst zurücksetzt, wenn Sie auf ein Magnetfeld stoßen. Wir wissen es einfach nicht.

Wir wollten jedoch fragen. Wenn Sie Ihren Webbrowser öffnen und sofort supraleitende Teile bestellen könnten, was würden Sie damit machen? Möchten Sie Draht? Spulen? Geräte wechseln? Und warum? Lass es uns unten in den Kommentaren wissen.

Wenn Sie Zugang zu flüssigem Stickstoff haben, ist dies möglicherweise bereits der Fall Verwendung von supraleitendem Material. Wenn ja, lass es uns wissen, zu. Oder vielleicht arbeiten Sie gerade daran Herstellung des nächsten Materials, das bei Raumtemperatur supraleitend sein soll.

Ausgewähltes Bild: Die acht torusförmigen supraleitenden Magnete im Herzen des LHC, Bildnachweis: CERN.

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• Quelle: https://hackaday.com/2024/02/26/ask-hackaday-what-if-you-did-have-a-room-temperature-superconductor/