Nobelpreisträger-Interview

Supraleitung – Perspektiven für zukünftige Anwendungen

Nobelpreisträger Dr. Johannes Georg Bednorz, der 1987 für die Entdeckung eines Hochtemperatursupraleiters den Nobelpreis für Physik erhielt, stellte sich den Fragen von Dr. Marlis Sydow, zum Zeitpunkt des Interviews Business Development Manager for Industrial Applications bei Leybold, zur Entwicklung der Hochtemperatursupraleitung.

Dr. Johannes Georg Bednorz und Interview­erin Dr. Marlis Sydow, Leybold GmbH, auf dem Forum Superconducting City anlässlich der Hannover Messe 2019. © Leybold

Herr Dr. Bednorz, für die Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter bekamen Sie zusammen mit Ihrem Kollegen Karl Alexander Müller den Nobelpreis für Physik verliehen. Was hat sich aus Ihrer Sicht seit der Entdeckung in 1986 auf diesem Gebiet getan?

Bednorz: In den dreißig Jahren hat sich einiges getan. Zu Beginn war die Euphorie natürlich riesig. Jahrzehntelang hatte man darauf gewartet, dass die Sprungtemperaturen der Supraleiter aus dem Bereich des flüssigen Heliums heraus und in den Temperaturbereich des flüssigen Stickstoffs hineinkamen. Als unsere Endeckung diesen Schritt ermöglicht hatte, war die Erwartungshaltung hoch. Jetzt war offenbar das Ziel aller Träume erreicht und jedermann dachte, die Anwendungen, die schon Kammerlingh Onnes vor Augen hatte, seien nun innerhalb kurzer Zeit zu verwirklichen.

Dann aber folgte die große Ernüchterung. Die neuen Supraleiter gehörten einer komplett anderen Materialklasse an als die bisher bekannten Supraleiter. Man musste erfahren, dass die besondere Kristallstruktur und die Korngrenzen der keramischen Oxide hinderlich für den Stromtransport sein konnten. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern erschien zunächst als unüberwindbares Hindernis. Jetzt, nach 30 Jahren Forschung und Entwicklung ist es soweit, dass supraleitende Materialien in Form von Bändern, Drähten oder massiven Bauteilen verfügbar sind, mit denen viele der Anwendungen, von denen man so lange geträumt hat, verwirklicht werden können.

Anzeige

Die Herstellung ist schwierig, da es sich nicht um metallisches, sondern um keramisches Material handelt. Man kann also nicht einfach Drähte daraus ziehen. Es wurden verschiedene Fertigungsverfahren versucht, z. B. das Stopfen des spröden Materials in Silberzylinder mit anschließendem Langziehen. Heute wird es aufgedampft oder nass-chemisch hergestellt. Aber auch dies ist sicher sehr aufwändig.

Bednorz: Ja, bei der Herstellung von Drähten der sogenannten ersten Generation hat man sich an den klassischen metallischen Supraleitern orientiert, die ebenfalls spröde waren. Da hat man ja auch die Methode „powder in tube“ angewendet. Das war der erste und schnellste Schritt zur Verarbeitung des Materials zu Drähten, mit denen man Prototypen für erste Anwendungen bauen konnte. So ließ sich zeigen: Jawohl, das Prinzip funktioniert auch bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff. Bald waren erste effiziente supraleitende Motoren und Generatoren entwickelt. Allerdings waren die auf diese Weise hergestellten Drähte zu kostspielig, um Anwendungen attraktiv zu machen.

Zitat Bednorz

In der Folge ist man zu anderen Methoden übergegangen, von denen ich nie geglaubt hatte, dass sie möglich wären. Nämlich, dass man aus diesen Materialien durch Verdampfen im Vakuum oder aber aus Lösungen auf metallischen Bändern supraleitende, dünne Filme abscheiden kann. Ich erinnere mich, wie die ersten Bänder mit der Molecular Beam Epitaxy Methode hergestellt wurden. Eine Methode, die zur damaligen Zeit nur in der Halbleiterforschung angewendet wurde und ultrareines sauerstofffreies Vakuum erforderte. Dies verlangte auch bei den Betreibern der Vakuumanlagen ein Umdenken, als sie für erste Experimente mit den für sie „schmutzigen“ Oxiden angesprochen wurden. Das war schon eine Art Barriere, die man aber rasch überwinden konnte. Und jetzt ist die Industrie in der Lage, perfekte, fast einkristalline Schichten auf metallische Bänder aufzubringen.

Das ist ja schon ein gewaltiger Fortschritt, dass man die Hochtemperatursupraleiter nass-chemisch herstellen kann. Zu unserem Bedauern allerdings auch ohne Vakuum.

Bednorz: Ja, aber zu Ihrem Glück braucht die Supraleitung in der Anwendung noch immer ein Isolationsvakuum.

Jetzt gibt es ja eine ganze Reihe von sehr spannenden Anwendungen für die Hochtemperatursupraleiter: Motoren, Generatoren, die man kleiner bauen kann, da die Leiter weitaus größere Ströme tragen können; Stromkabel für Ballungszentren, Magnetschienen, Strombegrenzer. Aus Ihrer Sicht als Fachmann: Was wird als erstes kommerziell umsetzbar sein?

Bednorz: Ich denke, was wir hier am Messestand* des ivSupra am Beispiel der Hochstromanwendung sehen, das dürfte den ersten Schritt in die industriellen Anwendungen machen. Zum Beispiel beim Transport enormer Mengen an Energie, wie mit dem vorgestellten Stromschienensystem, das ausgelegt ist für 20 000 Ampère. Und das ist erst der Anfang. Man zielt ja darauf ab, dass man Ströme von mehreren hundert Kiloampère, also hunderttausende von Ampere, an industrielle Anlagen heranführt, wie sie etwa zum Betrieb einer Aluminiumhütte notwendig sind. Da führen offenliegende Stromleitungen, die aus massiven Kupfer- oder Aluminium-Blöcken bestehen, zu den Aluminium-Schmelzöfen. Diese Leitungen möchte man ersetzen durch Strecken, die viel kompakter und vor allen Dingen weniger gefährlich sind, weil sie komplett abgeschirmt sind.

Aber auch zur Lösung eines ganz aktuellen Problems sollten die Supraleiter in Betracht gezogen werden. Wir alle hören von der Notwendigkeit einer Stromtrasse, die gebaut werden soll, um im Norden gewonnene Energie in den Süden zu bringen; und wir kennen die wachsenden Widerstände in der Öffentlichkeit gegen Hochspannungsleitungen – sowohl in Form von Freileitungen als auch von Erdkabeln. Die Menschen bewegt die Angst vor starken Magnetfeldern oder vor Auswirkungen auf die Ökologie. Es ist zu erwarten, dass es Einsprüche hagelt, die zu erheblichen Verzögerungen des Netzausbaus führen werden, und diese Verzögerungen bedeuten für die Netzbetreiber auch erhebliche finanzielle Einbußen. Das sollte man bei der Betrachtung der Wirtschaftlichkeit und der anfallenden Kosten berücksichtigen.

Bei supraleitenden Erdleitungen, bei denen keine elektromagnetische Abstrahlung auftritt, ist es leichter Akzeptanz bei der Bevölkerung zu erlangen, wie am Beispiel des seit mehr als fünf Jahren betriebenen Supraleiterkabels in der Innenstadt von Essen ersichtlich ist.

Ein weiteres Argument, das für den Einsatz von supraleitenden Erdkabeln spricht, ist der geringere Platzbedarf. Bei einer in der Erde auf Basis der kommerziellen Kabel verlegten Hochspannungstrasse müssen Sicherheitsabstände zwischen den einzelnen Kabeln eingehalten werden. Dies, um eine ausreichende Wärmeabfuhr sicherzustellen, um zu vermeiden, dass sich die Kabel gegenseitig weiter erhitzen, was den Widerstand nochmals erhöht. Mit einem supraleitenden Kabel ist das Problem der Erwärmung beseitigt; die Grabenbreite der Hochspannungstrasse beträgt nur einen Bruchteil der eines normalleitenden Kabels, und ökologische Bedenken lassen sich entkräften. Also auch in diesem Punkt dürfte kein Widerspruch zu erwarten sein.

Letzte, aber wichtige Frage für uns als Hersteller: Welche Rolle spielt die Kryotechnik für die Technologie der Hochtemperatur-Supraleiter?

Bednorz: Das ist vielleicht für Sie ein Anstoß: Supraleitung ist ein phantastisches Phänomen, mit dem sich laut Kamerlingh Onnes, dem Entdecker der Supraleitung, wunderbare Experimente mit der Elektrizität durchführen ließen. Er träumte schon vor hundert Jahren vom völlig verlustfreien Stromtransport und dem Bau starker Magnete. Dann musste er alle Ideen begraben. Die Temperatur, bei der Supraleitung auftrat, war so tief, dass Anwendungen im großen Stil technologisch unmöglich und kommerziell nicht interessant waren.

Nachdem vor 30 Jahren diese Temperaturbarriere gefallen war, durch die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung im Temperaturbereich des flüssigen Stickstoffs, war man der Meinung, dass endlich die Stunde der Anwendungen gekommen sei. Aber nun hieß es, die Materialien seien viel zu teuer und ein Einsatz ökonomisch nicht sinnvoll. Heute jedoch kommen die Preise für Materialien – vorausgesetzt, die Nachfrage steigt – in einen Bereich, wo die Preise der supraleitenden Drähte und Kabel mit denen von Kupfer vergleichbar sein werden. Nun kommt aber schon das nächste Argument: Die Kryotechnologie sei zu teuer. Dies ist also die nächste Hürde, die genommen werden muss: Man benötigt kleinere Kryostate, günstigere Maschinen. Die Kryotechnologie muss den nächsten Schritt machen, bis wir sagen können: Jetzt passt alles zusammen.

Und wahrscheinlich muss die Effizienz der Kältemaschinen steigen...

Bednorz: Ja, absolut. Aber lassen Sie mich noch einige grundsätzliche Bemerkungen machen. Wir haben über eine Reihe von Anwendungsbeispielen gesprochen, die in Form von Pilotprojekten und Prototypen erfolgreich realisiert wurden. Heute heißt es: Prototyp – was nun? Hier sind nicht nur Unternehmer und Unternehmen gefragt, sondern auch die Politik.

Mit der Umsetzung neuer Anwendungen erringt Deutschland eine Vorreiterrolle, wie es schon durch das weltweit längste supraleitende Kabel von RWE in Essen geschehen ist, das international hohe Aufmerksamkeit erreicht hat. Es braucht aber weiterhin Unternehmen, die bereit sind, Pionierarbeit zu leisten und die neue Technologie anwendungsnah zu erproben. Und es braucht den Pioniergeist von Unternehmern mit genügend Weitsicht und Mut, die sich durch ein potenzielles Risiko des Erstanwenders nicht abschrecken lassen.

Zitat Bednorz

Die Politik hingegen ist gefordert, wenn es um ein Überdenken der Förderungssituation geht. Anwendungsorientierte Forschungsprojekte sind auf nationaler oder EU-Ebene bislang mehr oder weniger problemlos zu finanzieren gewesen. Sie finden aber unter einer merkwürdigen Vorgabe statt, dass die Finanzierung mit der Realisierung eines Prototypen oder einer Pilotanlage eingestellt wird. Danach müssen in den meisten Fällen diese Installationen nach deren erfolgreichen Bewährungsprobe und ohne längere Testerfahrung abgebaut und entsorgt werden. Solche Bedingungen sind wahrlich keine Motivation für einen industriellen Partner eine neue Technologie zu übernehmen.

Eine Technologie, die im Stadium der Prototypen stehen bleibt, ist wertlos und nur die Möglichkeit, im Erfolgsfall eine Anlage weiter zu betreiben, stärkt das Vertrauen in ihr Potenzial. Ebenso muss die Optimierung entwickelter Anlagen unterstützt werden. Hier sind kreative Lösungen gefordert, wenn es um den Weiterbetrieb von Installationen geht, die mit öffentlichen Mitteln finanziert wurden. Wem es mit der Energiewende ernst ist, der darf um eine Effizienztechnologie wie die Supraleitertechnologie keinen Bogen machen.

Hintergrund:

Dem Schweizer K. Alex Müller und seinem deutschen Kollegen Dr. Johannes Georg Bed­norz wurde 1987 der Nobelpreis für Physik verliehen. Vergehen oft Jahrzehnte, ehe das Preiskomitee in Stockholm eine wissenschaftliche Leistung würdigt, so durften Müller und Bednorz ihren Triumph bereits im ersten Jahr nach der Entdeckung feiern – so schnell wurde in den knapp hundert Jahren nach seiner Einführung noch nie ein Nobelpreis vergeben. Mit der Veröffentlichung ihrer Arbeit über “Supraleitung bei hohen Temperaturen” im September 1986 hatten die Physiker des IBM-Forschungslaboratoriums in Rüschlikon, Schweiz, einem Traum der Physik Gestalt gegeben: Sie zeigten, dass Strom in keramischen Substanzen bei vergleichsweise hohen Temperaturen ohne jeden Widerstand (Supraleitung) fließt.

Quelle: Leybold

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Katalog 2016/2017

Vakuumtechnik im System

Mit über 50 Jahren Erfahrung in Entwicklung und Fertigung steht das Unternehmen Vacuubrand für das weltweit umfassendste Programm an Vakuumlösungen für das Labor. Im neuen Look präsentiert sich ab sofort der Katalog 2016/2017.

mehr...