Supra leitendes material

Arten von supraleitenden Materialien

Ein **supraleitendes Material** ist ein elektrischer Leiter mit null Widerstand, der es einem elektrischen Strom ermöglicht, ungehindert zu fließen. Dieses Phänomen tritt auf, wenn bestimmte Materialien auf eine niedrige Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Supraleiter werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. zur Erzeugung von leistungsstarken Magneten, die in MRT-Geräten und Magnetschwebebahnen zum Einsatz kommen, die über den Gleisen schweben und mit hoher Geschwindigkeit gleiten. Supraleiter werden auch in Teilchenbeschleunigern verwendet, um Wissenschaftlern zu helfen, die kleinsten Teilchen im Universum zu untersuchen.

Supraleiter lassen sich in zwei Haupttypen einteilen: konventionelle oder niedertemperatursupraleiter und Hochtemperatursupraleiter.

• Konventionelle oder Niedertemperatursupraleiter: Zu diesen Materialien gehören Metalle und Legierungen wie Blei, Quecksilber, Niob, Zinn und Vanadium. Sie werden supraleitend, wenn sie auf eine niedrige Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Die Übergangstemperatur variiert von Material zu Material. So werden beispielsweise Niob-Titan (NbTi)-Supraleiter bei etwa 10 Kelvin (K) oder -263 Grad Celsius (°C) supraleitend. Supraleitung wird in Materialien mit einer niedrigen kritischen Temperatur induziert. Die Materialien müssen auf einen supraleitenden Zustand abgekühlt werden, was in der Praxis mit flüssigem Helium geschieht. Das Material wird zum Supraleiter und stößt Magnetfelder ab, so dass die Magnetfeldlinien es durchdringen können. Diese werden als Typ-I-Supraleiter bezeichnet.
• Hochtemperatursupraleiter: Hierbei handelt es sich um keramische Materialien wie Lanthan-Barium-Kupferoxid und Yttrium-Barium-Kupferoxid. Sie werden bei Temperaturen supraleitend, die deutlich über dem absoluten Nullpunkt liegen. Sie werden als Hochtemperatursupraleiter bezeichnet, weil sie mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, der weniger teuer und einfacher zu handhaben ist als flüssiges Helium. Hochtemperatursupraleiter lassen sich in Typ-II-Supraleiter einteilen. Sie ermöglichen es Magnetfeldern, bestimmte Bereiche zu durchdringen und Wirbel zu bilden, und behalten bei höheren Temperaturen den Nullwiderstand bei.

Supraleiter werden auch nach ihrer kritischen Magnetfeldstärke klassifiziert. Dazu gehören:

• Typ-I-Supraleiter: Diese haben ein einziges kritisches Magnetfeld. Sie zeigen unterhalb des kritischen Magnetfelds einen perfekten Diamagnetismus. Ein Beispiel ist Blei.
• Typ-II-Supraleiter: Zu diesen Materialien gehören Nickel, Niob und Kupferoxide. Sie haben zwei kritische Magnetfelder und zeigen Mischzustände von Supraleitung und Magnetismus. Wenn das Magnetfeld über dem ersten kritischen Feld liegt, gelangen sie in einen Mischzustand und lassen einen Teil des magnetischen Flusses durchdringen, während sie gleichzeitig die Supraleitung erhalten.

Funktion und Eigenschaften von supraleitendem Material

Anwendungen von supraleitenden Materialien nutzen ihren Nullwiderstand und ihre Abstoßung von Magnetfeldern. Zu den Eigenschaften von Supraleitern gehören:

• Hervorragende Leitfähigkeit: Supraleiter haben keinen Widerstand gegen den Stromfluss. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Strom, endlos in Schleifen zu zirkulieren, ohne eine Quelle zu benötigen, was sie wertvoll für Anwendungen wie magnetische Spulen und Quantenbits macht.
• Magnetische Abstoßung: Supraleiter stoßen Magnete ab, wodurch sie schweben. Diese Besonderheit ist als Meissner-Effekt bekannt und kann bei Magnetschwebebahnen eingesetzt werden, die kontaktlos über Gleise schweben, was zu schnelleren Reisezeiten und weniger Kilometerleistung führt.
• Hohe kritische Temperaturen: Hoch-Tc-Supraleiter, z. B. Kuprate, werden bei höheren Temperaturen supraleitend als herkömmliche Materialien. Diese Materialien enthalten Barium, Lanthan, Kupfer, Yttrium und andere Elemente. Sie werden bei Temperaturen über -135 Grad Celsius oder -211 Grad Fahrenheit supraleitend. Diese Materialien sind einfacher zu verwenden als Nieder-Tc-Supraleiter, die extrem niedrige Temperaturen erfordern.
• Stromübertragung: Supraleiter können Strom ohne Verluste übertragen, was sie vielversprechend für effiziente Hochstromleitungen macht. Diese Komponente könnte die Festigkeit und Effizienz des Stromnetzes erheblich verbessern.
• Starke Magnete: Supraleitende Materialien erzeugen starke Magnetfelder, wenn sie zu Magnetfeldern oder Schleifen geformt werden. Diese Felder werden in MRT-Geräten eingesetzt, die es Ärzten ermöglichen, in den menschlichen Körper hineinzuschauen. Die Schleifen werden auch in Teilchenbeschleunigern eingesetzt, das sind riesige Maschinen, die Teilchen mit hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen lassen. Supraleitende Magnete werden in Schwebebahnen eingesetzt, die aufgrund starker Magnete über den Gleisen schweben.
• Quantengeräte: Supraleiter sind für die Entwicklung der Quantencomputertechnologie unerlässlich. Sie werden zur Herstellung von Qubits verwendet, den Bausteinen von Quantencomputern, die komplexe Berechnungen durchführen können. Supraleitende Qubits funktionieren bei höheren Temperaturen als andere Arten von Qubits, was das Quantencomputing erschwinglicher macht. Supraleiter werden auch in extrem empfindlichen Magnetfeldsensoren verwendet, die SQUIDs genannt werden und winzige Änderungen in Magnetfeldern erkennen können.
• Kompaktheit: Supraleiter können Energie in einem kleinen Raum speichern. Dies ist hilfreich für Geräte, die in einen begrenzten Raum passen müssen, wie z. B. tragbare Geräte und miniaturisierte elektronische Schaltungen.
• Reduzierte Wärmeentwicklung: Da sie keinen Widerstand haben, erzeugen Supraleiter keine Wärme, wenn Strom durch sie fließt. Diese Eigenschaft ist hilfreich für Geräte, die nicht warm werden oder überhitzen dürfen, wie z. B. bestimmte Computerkomponenten und fortschrittliche Hardware.

Szenarien für supraleitendes Material

Supraleiter haben eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Branchen. Zu den häufigsten gehören:

• Stromkabel und -leitungen: Supraleiter werden in Stromkabeln und -leitungen verwendet, um Strom ohne Widerstand zu übertragen. So wurde beispielsweise ein supraleitendes Kabel in New York City installiert, um zwei Unterstationen zu verbinden und die Zuverlässigkeit und Kapazität der Stromversorgung zu verbessern. Supraleitende Stromkabel könnten auch verwendet werden, um Strom effizienter von entfernten erneuerbaren Energiequellen, wie z. B. Wind- oder Solarparks, in städtische Gebiete zu übertragen.
• Magnetische Levitation: Supraleiter können Magnete zum Schweben (oder zur Levitation) über sich bringen. Dies wird als magnetische Levitation bezeichnet. Das bekannteste Beispiel hierfür ist der Magnetschwebebahnzug. Magnetschwebebahnen nutzen Supraleiter, um entlang von Gleisen zu fahren, ohne diese zu berühren. Dadurch können Magnetschwebebahnen schneller als herkömmliche Züge fahren, weil weniger Reibung sie bremst.
• Medizinische Bildgebung: Supraleiter werden in Magnetresonanztomographie (MRT)-Geräten eingesetzt. Diese Geräte helfen Ärzten, in den Körper zu sehen, ohne operieren zu müssen. MRT-Geräte benötigen sehr starke Magnete, um zu funktionieren, und Supraleiter machen diese Magnete.
• Teilchenbeschleuniger: Supraleiter werden in Maschinen verwendet, die als Teilchenbeschleuniger bezeichnet werden. Diese Maschinen beschleunigen winzige Teilchen und lassen sie zusammenstoßen, damit Wissenschaftler untersuchen können, was passiert. Einige der größten Teilchenbeschleuniger, wie z. B. der Large Hadron Collider, nutzen supraleitende Magnete, um die Teilchen zu lenken und zu fokussieren.
• Elektromagnetischer Antrieb: Supraleiter können verwendet werden, um leistungsstarke Elektromagnete zu erzeugen. Diese Magnete können verwendet werden, um Objekte anzutreiben, wie z. B. Raketen oder Schiffe. So hat das japanische ESK8-Projekt den elektromagnetischen Antrieb mit Hilfe von Supraleitern erfolgreich demonstriert.
• Quantencomputer: Bestimmte Arten von Qubits, oder Quantenbits, werden aus supraleitenden Materialien hergestellt. Diese Qubits können Berechnungen viel schneller durchführen als normale Bits. Unternehmen wie Google und IBM arbeiten an der Entwicklung von Quantencomputern, die supraleitende Qubits verwenden.
• Elektrische Komponenten: Supraleiter können die Leistung elektrischer Bauteile wie Transistoren und Dioden verbessern. Supraleitende Transistoren können elektrische Signale viel schneller umschalten, was nützlich für Computer und andere elektronische Geräte ist.
• Verteidigung und Raumfahrt: Supraleiter werden in militärischen und Weltraum Anwendungen eingesetzt. So können sie zum Beispiel kleinere und leichtere Magnete für Drohnen und andere Flugzeuge herstellen.

So wählen Sie ein supraleitendes Material aus

Supraleiter lassen sich nach ihrer kritischen Temperatur, ihrem kritischen Magnetfeld und ihrem kritischen Phänomen klassifizieren. Bei der Auswahl eines Supraleiters ist es wichtig zu berücksichtigen, wie sie klassifiziert werden.

Konventionelle Supraleiter sind Niedertemperatursupraleiter. Sie werden nach ihrer kritischen Temperatur klassifiziert. Diese Supraleiter haben eine kritische Temperatur von weniger als 30 Kelvin. Sie kommen hauptsächlich in Nioblegierungen vor und werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Bei der Auswahl eines konventionellen Supraleiters ist es wichtig, die Betriebstemperatur zu berücksichtigen und festzustellen, ob sie für die vorgesehene Anwendung geeignet ist.

Hochtemperatursupraleiter sind eine weitere Art von Supraleitern. Sie werden nach ihrer kritischen Temperatur klassifiziert, die über 30 Kelvin liegt. Die Auswahl eines Hochtemperatursupraleiters beinhaltet die Berücksichtigung seiner kritischen Temperatur. HTS-Materialien sind für verschiedene Anwendungen geeignet, wie z. B. Stromkabel, Magnetresonanztomographie und supraleitende Quanteninterferenzeinrichtungen.

Neben der kritischen Temperatur können Supraleiter auch nach ihren kritischen Magnetfeldern klassifiziert werden. Dies gilt für alle Arten von Supraleitern. Typ-I-Supraleiter haben ein niedrigeres kritisches Magnetfeld als Typ-II-Supraleiter. Bei der Auswahl eines Supraleiters ist es wichtig, die Magnetfeldstärke zu berücksichtigen, um das für die Anwendung am besten geeignete Material zu bestimmen.

Supraleiter werden auch nach dem Phänomen klassifiziert. So basieren BCS-Supraleiter auf der Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie. Die Auswahl eines supraleitenden Materials beinhaltet die Berücksichtigung von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen und die Festlegung, ob ein konventioneller oder ein Hochtemperatursupraleiter gewünscht wird.

Supraleiter können auch nach ihren Anwendungen klassifiziert werden. So werden technologische Supraleiter in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Dazu gehören Typ-II- und Hochtemperatursupraleiter. Die Auswahl eines Supraleiters für verschiedene Anwendungen beinhaltet die Berücksichtigung von Faktoren wie Kosten, Benutzerfreundlichkeit und Leistung.

Supraleitendes Material - Fragen und Antworten

F1: Was sind die Herausforderungen bei der Verwendung eines Supraleiters?

A1: Supraleiter können nur in Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Die Materialien müssen auf Temperaturen zwischen 0 und -273 Grad Celsius abgekühlt werden, um zu funktionieren, was eine gewaltige Aufgabe sein kann. Alternativ arbeiten Wissenschaftler an Hochtemperatursupraleitern, die bei Raumtemperatur betrieben werden können.

F2: Welche Anwendungen haben Supraleiter?

A2: Supraleiter werden in MRT-Geräten, Teilchenbeschleunigern, Magnetschwebebahnen und Quantencomputern eingesetzt. Sie werden auch zur Herstellung extrem leistungsstarker Magnete verwendet.

F3: Wie kann ein Supraleiter in einen Supraleiter umgewandelt werden?

A3: Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Supraleiter nur dann in einen Supraleiter umgewandelt werden können, wenn sich Elektronen durch einen Prozess, der als Elektronenpaarung bezeichnet wird, zu Paaren zusammenschließen. Die gepaarten Elektronen können sich frei ohne Widerstand bewegen und so einen Supraleiterstrom erzeugen.

F4: Welche Gefahren bergen Supraleiter?

A4: Es gibt keine Gefahren durch Supraleiter. Allerdings sind sie nicht ungefährlich. Die Materialien erzeugen Magnete, die schwere Verletzungen verursachen können, wenn man im Magnetfeld eines Supraleiters gefangen wird.

F5: Verlieren Supraleiter Magnetfelder?

A5: Supraleiter verlieren keine Magnetfelder. Tatsächlich erzeugen sie Magnetfelder, die dauerhaft in einem Magnetfeld eingeschlossen sind.