Science
17.09.2018

Stromleitungen und Schwebebahnen: Supraleiter erobern die Welt

Der Physiknobelpreisträger Georg Bednorz erklärt im Interview, was Hochtemperatursupraleiter alles können.

1987 hat der deutsche Wissenschaftler Georg Bednorz mit einem Kollegen den Physik-Nobelpreis für die Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter in Form von keramischen Kupferoxiden, sogenannten Cupraten, bekommen. Damals war Bednorz in einem IBM-Forschungszentrum in der Schweiz beschäftigt. Heute ist er nicht mehr in der Forschung aktiv, sondern versucht, Firmen dabei zu helfen, Anwendungen für die Hochtemperatursupraleiter zu finden. Vor kurzem war der Physiker auf Einladung des CERN in Wien, um über die Bedeutung von Grundlagenforschung zu sprechen. Die futurezone hat ihn bei dieser Gelegenheit zum Interview gebeten.

 

futurezone: Wir wissen nicht, wie Hochtemperatursupraleitung funktioniert. Haben paarweise gebundene Elektronen das Rätsel nicht gelöst?
Georg Bednorz: Das kommt aus der Theorie, die für metallische Supraleiter entwickelt wurde und hat uns auch bei der Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter angetrieben. Wir wollten den Grund für die Elektronenpaarbindung in Metallen, die Elektron-Phonon-Wechselwirkung, in leitenden Oxiden, den Cupraten, so beeinflussen, dass sie supraleitend werden. Die paarweisen Elektronen gibt es auch in Cupraten, aber viele Forscher sagen heute, der Auslöser sei ein anderer. Es gibt aber Effekte, die darauf hinweisen, dass die Elektron-Phonon-Wechselwirkung in Cupraten nicht zu vernachlässigen ist. Die ganze Wahrheit kennen wir noch nicht.

Sehen Sie Ansätze für eine übergreifende Theorie?
Nein. Solange wir nicht wissen, ob es für die Supraleitung eine absolute Temperaturgrenze gibt, kann man nicht zufrieden sein mit den Erklärungen. Es gibt auch immer wieder Überraschungen. Vor kurzem wurde entdeckt, dass Schwefelwasserstoff (H2S) unter sehr hohem Druck supraleitend wird. Wenn ich eine der H2S-Komponenten durch ein schwereres Isotop ersetze, ändert sich die Sprungtemperatur. Das weist darauf hin, dass die Elektron-Phonon-Wechselwirkung auch hier eine Rolle spielt.

Das klingt so, als wäre die Elektron-Phonon-Wechselwirkung ein grundlegendes Phänomen der Supraleitung, weil sie in ganz unterschiedlichen Materialklassen eine Rolle spielt?
Deswegen sage ich, man sollte diesen Aspekt auch in Cupraten nicht beiseiteschieben, denn dort gibt es auch einen Isotopeneffekt.

Bei welchen Temperaturen werden heutige Materialien supraleitend?
Wenn wir von Cupraten bei Normaldruck reden, sind wir bei 135 Kelvin (etwa minus 138 Grad Celsius). Wenn man die unter Druck setzt, geht es bis auf 160, 165 Kelvin (minus 113 C). H2S unter enormem Druck liegt bei 200 Kelvin (minus 73 C).

Welche Fortschritte haben wir hier seit ihrer Cuprat-Entdeckung gemacht?
Im Moment sieht es aus, als ob wir stehengeblieben wären. Es gibt aber neue Ansätze, die Eisenverbindungen mit Chalkogeniden. Die werden erst ab etwa 50 Kelvin (minus 223 C) supraleitend, aber die Entwicklung war nach der Entdeckung Anfang des Jahrtausends sehr schnell. Es gibt auch die Idee, sehr dünne Filme aus einer Eisen-Selen-Verbindung zu machen.

Sehen Sie Anzeichen für eine theoretische Hürde auf dem Weg zur Raumtemperatur?
Nein. Früher hat man gedacht, dass die thermischen Fluktuationen bei Raumtemperatur so stark wären, dass Supraleiter nicht stabil wären. Aber die Cuprate haben gezeigt, das Prognosen hier schwierig sind. Leute, die vorausgesagt haben, dass es eine Grenze bei 30 K gibt, sind auf die Nase gefallen.

Wo sehen Sie die interessanteste Entwicklung auf dem Gebiet?
Für mich persönlich ist die Umsetzung in Technik sehr befriedigend. Energieeffizienz ist ein wichtiges Thema und die verlustfreie Leitung von Strom mit Supraleitern kann hier helfen.

Was passiert hier bereits?
In Deutschland gibt es in Essen das einzige supraleitende Kabel, das im normalen Netzbetrieb verwendet wird. Die Technologie wird jetzt auch von Anwendern gefordert. Ein Beispiel: In der Industrie kommen Ströme mit bis zu 500.000 Ampere zum Einsatz. Das erfordert massive Kupferblöcke als Leiter. Die werden sehr heiß. Hochtemperatursupraleiter wären eine gute Alternative.

Leiten Supraleiter Strom im Praxisbetrieb wirklich komplett ohne Verluste?
Für Wechselstromanwendungen wie das Kabel in Essen gibt es Verluste. Die kann man durch geschickte Kabel-Konstruktion begrenzen. Wenn man Gleichstrom verwendet, liegt der Verlust bei 0. Wenn Sie einen Strom in einem supraleitenden Ring induzieren, ist der auch in einer Milliarde Jahre immer noch unverändert.

Welche anderen Anwendungen gibt es?
Magnete, berührungslose Lager und berührungsloser Transport sind interessante Gebiete. Man kann Metallblöcke in der Industrie mit supraleitenden Magneten heizen, bevor sie zu Profilen geformt werden. Die Bewegung im Magnetfeld erzeugt im Metall Wirbelströme, die es schnell aufheizen. Das bedeutet weniger Oxidation, homogene Erwärmung und 50 Prozent weniger Energiebedarf.

Was tut sich im Transportwesen?
Die Japaner erforschen seit den 80ern supraleitende Magnetschwebebahnen, seit den 90ern gibt es Testzüge. In den späten 2020ern werden sie einen ersten Zug haben zwischen Tokio und Nagoya. Schon 2005 sind die ersten Testzüge mit Hochtemperatursupraleitern gefahren. Vielleicht wird die Magnetschwebebahn auch in Europa einmal wiederbelebt.

Sie sind auf Einladung des CERN in Wien, um über die Bedeutung der Grundlagenforschung zu sprechen. Sinkt die?
Nein, die Bedeutung wird größer. Das CERN ist ein gutes Beispiel dafür. Was dort technologisch geleistet wird, hat Auswirkungen auf die Industrie. Etwa durch Fertigungsaufträge für die starken Magnete. Die Erfahrung, die man bei der Installation der Anlagen am CERN sammelt, sind anderswo hilfreich. Das Problem, dass sich supraleitende Kabel durch die Kälte zusammenziehen, kann man mit CERN-Know-how lösen.

Gerade am CERN zeigt sich aber, dass Grundlagenforschung auch kritisiert wird.
Abgesehen vom kulturellen Beitrag, den man am CERN macht, hat die Anlage eine enorme Bedeutung für die Technologie. Wenn man fragt, was für die Teilchenphysik rausgekommen ist: Die Erkenntnisse, die man da sammelt, die sind grundlegend.

Bringt ökonomischer Druck in der Forschung eine Tendenz zur Anwendung?
Grundlagenforschung ist erkenntnisorientierte Forschung. Die Neugier ist uns angeboren. Das sollten wir uns nicht wegdiskutieren lassen. Wir haben rein aus Neugier darauf, ob Supraleitung auch bei höheren Temperaturen funktioniert, geforscht. Das war unsere Motivation, nicht die Umsetzung einer neuen Technologie. Wir wollten verstehen.

Aber auch Sie mussten Ihre Forschung bei IBM ohne Vorgesetzte zu informieren nach Dienstschluss durchführen und das System damit zumindest biegen, wie berichtet wird.
Richtig. Die Verschwiegenheit hatte aber nichts mit unseren Vorgesetzten zu tun. Die haben uns die Freiheit gegeben, außergewöhnliche Ideen zu verfolgen. Die Geheimhaltung war Selbstschutz. Unser Ansatz wäre von Fachleuten als unseriös betrachtet worden. Es war nicht so, dass mein Arbeitgeber gegen Grundlagenforschung war.

Gerade in der Physik gibt es Grundlagenforschung oft nicht für Taschengeld.
Geld ist nicht alles. In der Physik braucht es viel mehr Ideen und Mut. Ein Beispiel ist das Rastertunnelmikroskop. IBM wollte damals schauen, was auf atomarer Skala an den Oberflächen von Metallen und Halbleitern passiert. Das war ein fast unmögliches Problem, das man da angegangen ist. Vielfach werden Durchbrüche von Forschern gemacht, die nichts für unmöglich halten. Man entwickelt Ideen und Visionen, wenn man davon träumt, fundamentale Grenzen zu überwinden und sich von Verständnisbarrieren inspirieren lässt.

Das klingt nach einer romantischen Vorstellung von Wissenschaft?
Das hat wahrscheinlich mit meinem Alter zu tun. Ich bin jetzt auch nicht mehr der Jüngste

Wie ist Europa in der Grundlagenforschung aufgestellt?
Ich denke, dass Europa sehr konkurrenzfähig ist. Es gibt große Projekte und für gute Gruppen gibt es entsprechend viel Geld. Es werden auch junge Wissenschaftler eingebunden und ausgebildet. Das macht die EU gut.

Warum wird Europa dann manchmal als “abgehängt” bezeichnet?
Da gibt es zwischen den Kulturen in der Erziehung einen Unterschied. Während wir hier in Europa nicht gerade hinausschreien, wie großartig wir sind, ist das anderswo üblich. Kritik und vor allem Selbstkritik sind bei uns in einem gesunden Maß vorhanden. Das erweckt manchmal den Eindruck, dass man sich unter Wert verkauft.