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Unter Druck: Neuer Rekord bei Raumtemperatur-Supraleitern

Autor: Michael Eckstein

Weltrekord: Ingenieure und Physiker der University of Rochester haben erstmals ein Material geschaffen, das bei Raumtemperatur supraleitend ist. Es soll Türen zu vielen kommerziellen Anwendungen öffnen.

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Schwebezustand: Der Supraleiter im Bild erfordert noch flüssigen Stickstoff für die Kühlung. Ranga Dias sucht nach Wegen, Strom verlustfrei bei Raumtemperatur zu übertragen.
Schwebezustand: Der Supraleiter im Bild erfordert noch flüssigen Stickstoff für die Kühlung. Ranga Dias sucht nach Wegen, Strom verlustfrei bei Raumtemperatur zu übertragen.
(Bild: University of Rochester)

Die Suche nach dem „heiligen Gral der Physik verdichteter Materie“ führt Ranga Dias von Rochester aus: Der Assistenzprofessor für Maschinenbau sowie Physik und Astronomie sitzt in seinem Labor an der University of Rochester und sagt ganz nüchtern Dinge wie: „Solche Materialien, die seit mehr als einem Jahrhundert gesucht werden, können die Welt, wie wir sie kennen, definitiv verändern.“

Damit meint er Stoffe, die bereits bei Raumtemperatur supraleitend sind – also Strom ohne elektrischen Widerstand und ohne Ausbildung eines Magnetfelds verlustfrei transportieren. Diesem Ziel ist Dias nun ein gutes Stück nähergekommen. Und hat mit seiner in der renommierten Wissenschaftszeitschrift Nature vorgestellten Arbeit einen Rekord aufgestellt. Das von seinem Team synthetisierte kohlenstoffhaltige Schwefelhydrid wurde bei einer Temperatur von etwa 58° F supraleitend – das entspricht ca. 14° C. Zum Vergleich: Bisherige, bereits technisch nutzbare Supraleiter funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen von rund -200° C abwärts bis zum absoluten Nullpunkt.

Warum Raumtemperatur wichtig ist

Die Supraleitung ist ein makroskopischer Quanteneffekt, der 1911 von dem niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes entdeckt wurde. Unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur sorgt der „Meißner-Ochsenfeld-Effekt“ dafür, dass elektrische und magnetische Felder im Inneren des Materials verschwinden. Magnetfelder werden an die Oberfläche verdrängt. Dieser Effekt lässt sich dazu nutzen, Materialien über den Supraleitern schweben zu lassen.

Leistungsstarke supraleitende Elektromagnete sind bereits in mehreren Anwendungen im Einsatz, etwa in Magnetschwebebahnen, Magnetresonanz- (MRT) und Kernspinresonanz-Tomographen (NMR), Teilchenbeschleunigern und ersten Quanten-Supercomputern.

Doch die in den Geräten verwendeten supraleitenden Materialien funktionieren wie bereits erwähnt nur bei extrem niedrigen Temperaturen, die in der Natur auf der Erde nicht vorkommen. Die Komponenten müssen mit flüssigem Helium (Siedetemperatur −269 °C) oder Stickstoff (Siedetemperatur −196 °C) extrem aufwändig gekühlt werden. Das macht die Wartung sehr teuer und verhindert letztlich einen kommerziellen Einsatz in vielen potenziellen Anwendungen. „Die Kosten, diese Materialien bei kryogenen Temperaturen zu halten, sind so hoch, dass man nicht wirklich den vollen Nutzen aus ihnen ziehen kann“, sagt Dias.

Bisheriger Rekordhalter für die höchste Temperatur für ein supraleitendes Material ist ein Team um Mikhail Eremets am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz und der Russell-Hemley-Gruppe an der University of Illinois in Chicago. Sie entwickelten im vergangenen Jahr einen Supraleiter aus Lanthan-Superhydrid, der seine Sprungtemperatur bei –10° bis –8° F erreicht, also etwa –20° C.

39 Millionen psi: Extrem hoher Druck nötig

Bei der Aufstellung des neuen Rekords kombinierten Dias und sein Forscherteam Wasserstoff mit Kohlenstoff und Schwefel. In einer Diamant-Ambosszelle, einem Forschungsgerät zur Untersuchung winziger Mengen von Materialien unter außergewöhnlich hohem Druck, synthetisierten sie schließlich photochemisch ein organisch gewonnenes, kohlenstoffhaltiges Schwefelhydrid. Dieses erreicht Supraleitfähigkeit bei Fast-Raumtemperatur – allerdings erst bei extrem hohem Druck von etwa 39 Mio. Pfund pro Quadratzoll (psi). Zum Vergleich: Der atmosphärische Druck auf Meereshöhe liegt bei etwa 15 psi.

In den Diamant-Ambosszellen haben Dias und sein Team einige Pikoliter des supraleitenden Materials erzeugt – das entspricht etwa der Größe eines einzelnen Tintenstrahlpartikels. Die nächste Herausforderung besteht laut Dias nun darin, Wege zu finden, die supraleitenden Materialien bei Raumtemperatur und niedrigerem Druck herzustellen. Ziel ist es, sie wirtschaftlich in größeren Mengen produzieren zu können.

Grundvoraussetzungen: Starke Bindungen und leichte Elemente

Dazu haben die Forscher in den letzten Jahren auch Kupferoxide und Chemikalien auf Eisenbasis als potenzielle Kandidaten für Hochtemperatur-Supraleiter untersucht. Wasserstoff – das im Universum am häufigsten vorkommende Element – gilt ebenfalls als vielversprechender Baustein. „Für einen Hochtemperatursupraleiter braucht man starke Bindungen und leichte Elemente. Das sind die beiden grundlegenden Kriterien“, sagt Dias. „Wasserstoff ist das leichteste Material, und die Wasserstoffbindung ist eine der stärksten.“

Schmiede für Supraleiter: Der Diamant-Amboss presst Stoffe unter extrem hohem Druck auf winzigem Raum zusammen.
Schmiede für Supraleiter: Der Diamant-Amboss presst Stoffe unter extrem hohem Druck auf winzigem Raum zusammen.
(Bild: Ranga Dias)

Fester metallischer Wasserstoff habe theoretisch eine hohe Debye-Temperatur und eine starke Elektron-Phonon-Kopplung, die für die Supraleitung bei Raumtemperatur erforderlich sei. Allerdings sind außergewöhnlich hohe Drücke erforderlich, um reinen Wasserstoff in einen metallischen Zustand zu bringen. Erstmals ist dies 2017 Professor Isaac Silvera an der Harvard-Universität gelungen – gemeinsam mit Dias, der damals als Postdoc in Silveras Labor arbeitete.

Paradigmenwechsel für Supraleiter

Dias verfolgt nun einen anderen Ansatz: Sein Team setzt auf wasserstoffreiche Materialien, die die schwer fassbare supraleitende Phase von reinem Wasserstoff nachahmen und bei viel niedrigerem Druck metallisiert werden können. Dazu haben sie zunächst Yttrium und Wasserstoff kombiniert. Das resultierende Yttrium-Superhydrid zeigte Supraleitung bei einer bereits rekordverdächtig hohen Temperatur von etwa 12° F und einem Druck von etwa 26 Mio. psi.

Als nächstes untersuchte das Labor kovalentes wasserstoffreiches Material organischer Herkunft. Das Ergebnis war das kohlenstoffhaltige Schwefelhydrid. „Kohlenstoff ist hier von entscheidender Bedeutung“, berichten die Forscher. Eine Verfeinerung dieses „Kochrezepts“ könnte der Schlüssel zum Erreichen der Supraleitung bei noch höheren Temperaturen sein, fügen sie hinzu.

Nie wieder Batterien: Auf dem Weg in die Supraleiter-Gesellschaft

„Wegen der Grenzen der niedrigen Temperatur haben Materialien mit solch außergewöhnlichen Eigenschaften die Welt bisher nicht so verändert, wie viele es sich vielleicht vorgestellt haben“, erklärt Dias. Er ist überzeugt: Die Entdeckung seines Teams werde diese Barrieren durchbrechen und die Tür zu vielen potenziellen Anwendungen öffnen. Dazu arbeitet Dias auch eng mit Materialwissenschafts- und Hochenergiephysik-Programmen seiner Universität zusammen.

Zu diesen Anwendungen zählen Stromnetze, die Elektrizität ohne den Verlust von bis zu 200 Millionen Megawattstunden (MWh) übertragen, neuartige Antriebe für Schwebebahnen und andere Transportmittel, medizinische Bildgebungs- und Scan-Techniken wie MRI und Magnetokardiographie, aber auch schnellere, effizientere Elektronik für digitale Logik und Speicherbauelemente.

„Heute leben wir in einer Halbleitergesellschaft“, sagt Ashkan Salamat von der Universität von Nevada Las Vegas, einer der Co-Autoren der Entdeckung, und ergänzt: „Mit Raumtemperatur-Supraleitern könnte ein neues Zeitalter anbrechen, in dem man Dinge wie Batterien nicht mehr braucht.“

Dias und Salamat haben mittlerweile das Unternehmen „Unearthly Materials“ gegründet und Patente angemeldet. Ziel ist es, einen Weg hin zu Supraleitern bei Raumtemperatur zu finden, die bei Umgebungsdruck skalierbar hergestellt werden können.

* Zu den Co-Autoren des Papiers gehören Elliot Snider '19 (MS), Nathan Dasenbrock-Gammon '18 (MA), Raymond McBride '20 (MS), Kevin Vencatasamy '21 und Hiranya Vindana (MS), die alle in Dias Team arbeiten, sowie Mathew Debessai von der Intel Corporation und Keith Lawlor von der University of Nevada, Las Vegas.

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