Arten von supraleitenden Materialien und ihre Anwendungen

Einführung

Supraleitende Materialien sind eine bemerkenswerte Klasse von Werkstoffen, die bei Abkühlung unter eine kritische Temperatur (Tc) einen elektrischen Widerstand von Null und den Austritt von Magnetfeldern (Meissner-Effekt) aufweisen. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 1911 durch Heike Kamerlingh Onnes haben Supraleiter verschiedene Bereiche revolutioniert, von der medizinischen Bildgebung bis zur Energieübertragung. In diesem Artikel werden die verschiedenen Arten von supraleitenden Materialien und ihre vielfältigen Anwendungen kurz vorgestellt.

Arten von supraleitenden Materialien

Supraleiter lassen sich anhand ihrer kritischen Temperatur und ihrer magnetischen Eigenschaften grob in zwei Kategorien einteilen: Typ I und Typ II Supraleiter. Darüber hinaus können sie aufgrund ihrer Zusammensetzung und ihres Entdeckungszeitraums in konventionelle, Hochtemperatur- und unkonventionelle Supraleiter eingeteilt werden.

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1. Typ-I-Supraleiter

Typ-I-Supraleiter sind in erster Linie reine Metalle und Metalloide, die bei sehr niedrigen Temperaturen (in der Regel unter 30 K) Supraleitfähigkeit zeigen. Sie zeichnen sich durch einen scharfen Übergang in den supraleitenden Zustand und den vollständigen Ausschluss von Magnetfeldern (Meissner-Effekt) unterhalb ihres kritischen Magnetfeldes (Hc) aus. Beispiele hierfür sind:

- Quecksilber (Hg): Der erste entdeckte Supraleiter mit einem Tc von 4,2 K.

- Blei (Pb): Tc von 7,2 K.

- Aluminium (Al): Tc von 1,2 K.

Supraleiter vom Typ I sind aufgrund ihrer niedrigen kritischen Temperaturen und Magnetfelder in der Praxis nur begrenzt einsetzbar.

2. Typ-II-Supraleiter

Typ-II-Supraleiter sind komplexere Materialien, einschließlich Legierungen und Verbindungen, die höheren Magnetfeldern standhalten können und höhere kritische Temperaturen aufweisen. Sie ermöglichen das Eindringen von Magnetfeldern in Form von quantisierten Wirbeln, wodurch sie auch bei höheren Feldern supraleitend bleiben können. Beispiele hierfür sind:

- Niob-Titan (NbTi): Weit verbreitet in supraleitenden Magneten für MRT-Geräte und Teilchenbeschleuniger.

- Niob-Zinn (Nb3Sn): Wird wegen seines höheren kritischen Feldes in Hochfeldmagneten verwendet.

3. hochtemperatursupraleiter (HTS)

Hochtemperatursupraleiter sind eine Klasse von Materialien, die bei deutlich höheren Temperaturen als herkömmliche Supraleiter (über 30 K) Supraleitfähigkeit aufweisen. Häufig handelt es sich um Materialien auf Kupferoxid- (Cuprat) oder Eisenbasis. Beispiele hierfür sind:

- Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO): Tc von 92 K.

- Bismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid (BSCCO): Tc von 110 K.

- Supraleiter auf Eisenbasis: Entdeckt im Jahr 2008, mit einer Tc von bis zu 55 K.

HTS-Materialien sind besonders vielversprechend für praktische Anwendungen, da sie bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff (77 K) betrieben werden können, was kostengünstiger ist als flüssiges Helium.

4. unkonventionelle Supraleiter

Unkonventionelle Supraleiter folgen nicht der traditionellen BCS-Theorie der Supraleitfähigkeit. Sie umfassen:

- Schwere Fermionen-Supraleiter: Materialien wie CeCu2Si2, bei denen sich die Elektronen so verhalten, als hätten sie eine extrem hohe Masse.

- Organische Supraleiter: Materialien auf Kohlenstoffbasis, die bei niedrigen Temperaturen Supraleitfähigkeit aufweisen.

- Magnesiumdiborid (MgB2): Eine einfache Verbindung mit einer Tc von 39 K, die die Lücke zwischen herkömmlichen und Hochtemperatur-Supraleitern schließt.

Anwendungen von supraleitenden Materialien

Die einzigartigen Eigenschaften von Supraleitern haben dazu geführt, dass sie in einer Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Branchen eingesetzt werden. Nachstehend sind einige der wichtigsten Anwendungen aufgeführt:

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1. medizinische Bildgebung

Supraleitende Magnete sind das Rückgrat von Magnetresonanztomographen (MRI). Niob-Titan-Supraleiter (NbTi) werden üblicherweise zur Erzeugung der starken, stabilen Magnetfelder verwendet, die für die hochauflösende Bildgebung erforderlich sind. Der Nullwiderstand von Supraleitern gewährleistet einen effizienten Betrieb ohne nennenswerte Energieverluste.

2. Teilchenbeschleuniger

Supraleitende Materialien sind in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN unverzichtbar. Niob-Zinn- (Nb3Sn) und Niob-Titan- (NbTi) Magnete werden verwendet, um die intensiven Magnetfelder zu erzeugen, die für die Lenkung und Fokussierung von Teilchenstrahlen bei nahezu Lichtgeschwindigkeit erforderlich sind.

3. Energieübertragung

Supraleitende Kabel können Strom widerstandsfrei übertragen, was die Energieverluste im Vergleich zu herkömmlichen Kupferkabeln erheblich reduziert. Hochtemperatursupraleiter wie YBCO werden für den Einsatz in supraleitenden Stromnetzen erforscht, die die Energieverteilung revolutionieren könnten.

4. magnetische Schwebebahnen (Maglev)

Supraleitende Magnete ermöglichen es Magnetschwebebahnen, über den Schienen zu schweben, wodurch die Reibung beseitigt wird und Hochgeschwindigkeitsfahrten möglich sind. Die japanische SC-Magnetschwebebahn, die YBCO-Supraleiter verwendet, hat Geschwindigkeiten von über 600 km/h erreicht.

5. Quantencomputer

Supraleitende Materialien sind das Herzstück von Quantenbits (Qubits) in Quantencomputern. Der Josephson-Übergang, ein Bauelement, das aus zwei durch einen Isolator getrennten Supraleitern besteht, ist eine Schlüsselkomponente für supraleitende Quantenschaltungen. Unternehmen wie IBM und Google machen sich diese Technologie zunutze, um leistungsstarke Quantenprozessoren zu bauen.

6. Energiespeicherung

Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES) speichern Energie in dem von einer supraleitenden Spule erzeugten Magnetfeld. Diese Systeme können große Energiemengen fast sofort freisetzen und sind daher ideal für die Stabilisierung von Stromnetzen und die Bereitstellung von Notstrom.

7. Wissenschaftliche Forschung

Supraleitende Materialien werden in fortschrittlichen Forschungsinstrumenten wie supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (SQUIDs) verwendet, bei denen es sich um hochempfindliche Magnetometer handelt, die extrem schwache Magnetfelder erkennen können. SQUIDs werden in Bereichen eingesetzt, die von der Geologie bis zu den Neurowissenschaften reichen.

8. Fusionsenergie

Supraleitende Magnete sind entscheidend für den Einschluss des Plasmas in Kernfusionsreaktoren wie dem ITER-Projekt. Hochtemperatursupraleiter wie YBCO werden zur Entwicklung effizienterer und kompakterer Fusionsreaktoren eingesetzt.

9. Erforschung des Weltraums

Supraleitende Materialien werden in kryogenen Systemen für Weltraumteleskope und -detektoren verwendet. Supraleitende Detektoren werden zum Beispiel in der Astrophysik eingesetzt, um schwache Signale von fernen Sternen und Galaxien zu beobachten.

10. Industrielle Anwendungen

Supraleitende Materialien werden in Elektromotoren und Generatoren für industrielle Anwendungen eingesetzt. Diese Geräte sind effizienter und kompakter als ihre konventionellen Gegenstücke und eignen sich daher ideal für den Einsatz in Windturbinen und Elektrofahrzeugen.

Fazit

Supraleitende Materialien haben die moderne Technologie verändert. Von Typ-I-Supraleitern bis hin zu Hochtemperatur- und unkonventionellen Varianten bietet jede Materialklasse einzigartige Eigenschaften und Anwendungen. Da die Forschung weiter voranschreitet, versprechen Supraleiter, noch mehr Branchen zu revolutionieren. Weitere fortschrittliche Materialien finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenz:

[1] Abd-Shukor, R.. Hochtemperatur-Supraleiter: Materialien, Mechanismen und Anwendungen.

[2] Chao Yao, Yanwei Ma, Superconducting materials: Challenges and opportunities for large-scale applications, iScience, Band 24, Ausgabe 6, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005095