Magnetresistenter Supraleiter

Nanosäulen aus Keramik sorgen dafür, dass der Strom auch in Anwesenheit starker Magnetfelder verlustfrei fließen kann.

Hochtemperatur-Supraleiter warten seit Jahren auf den kommerziellen Durchbruch. Das Problem: Die Supraleiter verlieren in Anwesenheit starker Magnetfelder - wie sie bei vielen potenziellen Anwendungen sowohl im zivilen, als auch im militärischen Bereich die Regel sind - ihre Eigenschaft, elektrischen Strom verlustfrei zu leiten. Jetzt haben Forscher des Oak Ridge National Laboratory im US-Bundesstaat Tennessee einen Durchbruch bei der Entwicklung magnetfeldresistenter Hochtemperatur-Supraleiter erzielt. Ihr Trick: Mit einem speziellen Verfahren bauen sie Nanosäulen aus isolierender Keramik in das supraleitende Material ein. Diese Keramiksäulen binden die Magnetfelder an sich und halten so den eigentlichen Supraleiter frei von magnetischen Störungen. Die Forscher berichten in der aktuellen Ausgabe von „Science“ über ihre Arbeit.

Um Motoren oder Generatoren mit Hochtemperatur-Supraleitern zu bauen, müssten diese beispielsweise bei einer Temperatur von 55 bis 65 Kelvin Stromstärken von 30 bis 40 Kiloampere pro Quadratzentimeter bei magnetischen Feldstärken von drei bis fünf Tesla verlustfrei leiten. Doch die Magnetfelder führen bei den bisher erhältlichen Hochtemperatur-Supraleitern zur Bildung von kleinen magnetischen Wirbeln („Vortices“), die sich durch das supraleitende Material hindurchbewegen und dabei die Supraleitung zerstören.

Abb.: Nanosäulen aus isolierender Keramik in einer dünnen Schicht aus supraleitendem Material. Die Säulen verhindern die Ausbreitung magnetischer Wirbel in dem Supraleiter. (Quelle: S.Kang et al. /Science)

Sukill Kang und sein Team arbeiten mit YBCO, einer aus Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff aufgebauten Verbindung (YBa ₂Cu ₃O _7–x). YBCO ist ein kristalliner Stoff, der bei 70 Kelvin supraleitend wird. Mithilfe der gepulsten Laser-Ablagerung (pulsed laser deposition, PLD) bauen die Forscher einen drei Mikrometer dicken YBCO-Film auf einer Metallunterlage auf. Bei diesem Verfahren wird das YBCO-Pulver mit einem gepulsten Laserstrahl verdampft und lagert sich – bei jedem Puls eine Schicht – auf der Metallunterlage ab.

Als weiterte Zutat verwenden die Forscher die Keramik Bariumzirkonat (BZO), die sie zu nur noch Nanometer großen Teilchen zermahlen und mit dem YBCO-Pulver vermischen. Bei der Verdampfung reißt nun das YBCO die BZO-Teilchen mit sich, die sich als „Nanodots“ in den YBCO-Schichten einlagern. Da die Kristallgitter von YBCO und BZO unterschiedliche Größen besitzen, entstehen an den Übergängen Spannungen in dem Material. Dies führt zu einem überraschenden Phänomen: Die BZO-Nanopunkte lagern sich bevorzugt nahezu exakt übereinander ab, weil dies energetisch am günstigsten ist. Auf diese Weise entstehen in dem YBCO-Supraleiter winzige vertikale Nanosäulen aus isolierendem BZO.

Setzt man den so produzierten Hochtemperatur-Supraleiter nun einem starken Magnetfeld aus, so halten die keramischen Nanosäulen, wie die Experimente von Kang und seinem Team zeigen, die magnetischen Wirbel fest und verhindern so eine Zerstörung der Supraleitfähigkeit.

Der Effekt ist so groß, dass die von Kang und Kollegen produzierten Hochtemperatur-Supraleiter erstmals die von der Industrie definierten Anforderungen für einen weiten Anwendungsbereich – von Motoren über Elektromagnete bis zu Energieversorgungsleitungen – übertreffen. Allerdings sind die YBCO-BZO-Leiter bislang nur kurze Käbelchen: Ihre maximale Länge beträgt 1,5 Zentimeter. Der nächste Schritt ist nun also, ein Verfahren zur Produktion längerer YBCO-BZO-Kabel zu entwickeln. Dann kann das Zeitalter der Hochtemperatur-Supraleitung endlich beginnen.

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  S. Kang et al., High-Performance High-Tc Superconducting Wires, Science 311, 1911 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1124872 
• Oak Ridge National Laboratory:
  http://www.ornl.gov

Weitere Literatur:

• A. Goyal (Hrsg.), Second Generation HTS Conductors (Kluwer Academic, 2004).