Schwerpunkt: Supraleitung

100 Jahre Supraleitung, 25 Jahre Hochtemperatursupraleitung

Vor 100 Jahren entdeckte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes, dass der elektrische Widerstand von Quecksilber sprunghaft auf null sinkt, wenn das Metall mit flüssigem Helium auf unter 4,2 Grad Kelvin, also minus 269 Grad Celsius, abgekühlt wird. Erst Ende der 1950er Jahre konnten John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer eine funktionierende quantenmechanische Theorie der Supraleitung formulieren, wofür sie 1972 den Nobelpreis für Physik erhielten. Mit dem „BCS-Modell“ zeigten sie, dass sich bei tiefen Temperaturen die Leitungselektronen zu sogenannten Cooper-Paaren zusammentun, die sich ohne jede Wechselwirkung, also widerstandsfrei, durch das Festkörpergitter bewegen.

Vor 25 Jahren entdeckten Johannes Bednorz und Karl Alex Müller aus dem IBM-Forschungszentrum bei Zürich eine neue Klasse von komplex aufgebauten Materialien, die bei sehr viel höheren Temperaturen als die klassischen Supraleiter Strom widerstandsfrei leiten. Schon 1987 wurden sie dafür mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Schöne Visualisierung: Ein Flashmob tanzt das Verhalten der Elektronen in Supraleitern nach. Sobald die Temperatur sinkt, formieren sich die Elektronen zu Paaren und synchronisieren sich miteinander bis der Supraleitungseffekt entsteht.

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Stand der Forschung

Obwohl die Hochtemperatur-Supraleitung (HTS) auch heute als nicht vollständig verstanden gilt, gibt es bereits zahlreiche Anwendungen: von supraleitenden Kabeln über Strombegrenzer und Transformatoren bis hin zu Generatoren und Motoren. Dazu tragen auch Helmholtz-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler bei.

Mehr zur Supraleitung in der aktuellen Helmholtz-Forschung:

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird der Einsatz der Hochtemperatur-Supraleitung in der Stromerzeugung erforscht. Gemeinsam mit der Siemens AG erarbeiten Forscherinnen und Forscher die Grundlagen für supraleitende Generatoren in Großkraftwerken, die einen höheren Wirkungsgrad ermöglichen und so die CO₂-Emissionen pro Kilowattstunde reduzieren. Dabei sind große technische Herausforderungen zu bewältigen: Die HTS-Drähte müssen zuverlässig auf einer Betriebstemperatur von etwa -240 Grad Celsius gehalten werden. Außerdem sind sie mechanisch empfindlich und müssen im Rotor einer Zentrifugalbeschleunigung vom 5.000-fachen der Erdbeschleunigung standhalten.

Zur Pressemitteilung des KIT 'Weniger CO2-Emissionen bei Großkraftwerken'

Am KIT werden auch die Stromzuführungen für das Fusionsexperiment Wendelstein 7-X entwickelt. Die Forschungsanlage Wendelstein 7-X wird gegenwärtig am Helmholtz-assoziierten Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald aufgebaut. Ein Teil der Technik stammt außerdem vom Forschungszentrum Jülich. Ziel ist es, ein klima- und umweltfreundliches Kraftwerk zu entwickeln, das ähnlich wie die Sonne aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnt. Kernstück der Anlage ist das Spulensystem aus 50 nicht-ebenen und supraleitenden Magnetspulen.

Zur Presseinformation: 'Spulentests für Wendelstein 7-X erfolgreich beendet' 

Weitere Informationen zum Projekt Wendelstein 7-X

Zum aktuellen Newsletter zu W7-X

Eigentlich scheint es unmöglich: Wie Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden am Beispiel einer intermetallischen Verbindung aus Wismut und Nickel nachweisen konnten, verfügen bestimmte Materialien gleichzeitig über die beiden völlig gegensätzlichen Eigenschaften Supraleitung und Ferromagnetismus. Möglich wurde dies durch ein neues chemisches Syntheseverfahren bei niedrigen Temperaturen. Das beobachtete Phänomen konnte bisher weltweit nur an sehr wenigen Stoffen gezeigt werden und könnte hochinteressante technische Möglichkeiten für die Zukunft bereithalten.

Zur Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf 'Ferromagnetismus plus Supraleitung'

Eine neue Klasse von HTS-Supraleitern weckt seit ihrer Entdeckung 2008 das Interesse der weltweiten Forschung. Anders als die bisher bekannten Kupfer-Keramiken (Kuprate) bestehen sie in ihrer Grundstruktur aus Eisenverbindungen. Weil sie sich in vielen Eigenschaften, vor allem auch in ihrer atomaren Struktur, von den Kupraten unterscheiden, erhofft man sich neue Erkenntnisse darüber, wie das Phänomen der Supraleitung entsteht. Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) haben nun eine magnetische Signatur entdeckt, die universell bei allen auf Eisen basierenden Supraleitern auftritt. Ein tieferes Verständnis der HTS könnte die Entwicklung von Materialien ermöglichen, die bei noch höherer Temperatur supraleitend sind.

Zur Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Berlin 'Viele Wege führen zur Supraleitung'

Einen neuen Meilenstein beim Verständnis der HTS haben zwei Physiker aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf erreicht. Es gelang ihnen, den Halbleiter Germanium in einen supraleitenden Zustand zu zwingen, indem sie fremde Atome eingeschleust haben. Damit konnten sie zeigen, dass es möglich ist, diese extrem gegensätzlichen Eigenschaften der Halbleitung und der Supraleitung in einem Element hervorzurufen, was bis dahin als unmöglich galt.

Weitere Informationen des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf zur Supraleitung von Halbleitern