Supraleiter-Garn aus Magnesiumdiborid

Nur mit viel Aufwand lassen sich keramische Hoch­tempe­ratur-Supra­leiter zu nutz­baren Kabel­verbin­dungen verar­beiten. Diese werden in Nischen­bereichen etwa für Strom­durch­führungen von Fusions­reaktoren genutzt. Viel leichter, flexibler und zugleich stabiler könnten in Zukunft Garne auf der Basis des Supra­leiters Magnesium­diborid werden. An der University of Texas in Dallas ent­wickelte dazu die Arbeits­gruppe um Anvar Zakhidov ein neues Ferti­gungs­ver­fahren.

Die Basis für die supraleitenden Garne bildeten mehr­wandige Röhr­chen aus Kohlen­stoff. Diese bieten neben der überra­genden elek­trischen Leit­fähig­keit eine sehr hohe Stabilität. Daher ließen Zakhidov und Kollegen in einem ersten Schritt Nano­röhrchen aus der Dampfphase in hoher Dichte senkrecht neben­ein­ander auf einer geeigneten Unterlage wachsen. Diesen Röhrchen­wald setzten sie in einem photo­ther­mischen Reaktor einer Atmosphäre aus Borbromid und Wasserstoff aus. Dabei zersetzte sich das Bor­bromid und die Nano­röhrchen konnten mit einer gleichmäßigen Bor-Schicht überzogen werden.

Diese beschichteten Nanoröhrchen verdrillten die Forscher zu flexiblen und zugleich hochfesten Fäden mit Durch­messern zwischen 50 und 100 Nano­metern. Unter­suchungen mit einem Trans­missions-Elek­tronen­mikro­skop zeigten eine ausge­prägte poly­kristal­line Morpho­logie dieser Fäden. Danach legte Zakhidov die Fäden in eine Quartz­röhre. In dieser wurden sie eine knappe Stunde bei 900 Grad einer Magnesium-Atmosphäre ausgesetzt. Die Bor-Hülle der Nano­röhrchen reagierte mit dem Leicht­metall­dampf und es bildete sich eine Beschichtung aus dem Supraleiter Magnesium­diborid. Diese Nanofasern bestanden – wie Mikro­skop­analysen zeigten – aus zahlreichen miteinander verknüpften Nano­kristallen.

Um die physikalischen Eigenschaften dieser Fasern zu überprüfen, fertigten die Wissenschaftler 50 bis 250 Mikrometer kurze Garne, die ausge­sprochen porös aufgebaut waren und so eine geringe Dichte von nur 124 Gramm pro Liter aufwiesen. Damit waren sie erheblich leichter als alle anderen Magnesium­diborid-Drähte, die bisher etwa mit einem Kern aus Wolfram produziert werden konnten. Wider­stands­messungen zeigten, dass bei einer Kühlung auf 34,3 Kelvin die neuen, flexiblen Garne in den supra­leitenden Zustand wechselten. Dieser blieb auch nach vielfachem Verdrehen und sogar bei verknoteten Garnen erhalten.

Mit dieser Methode gelang es, die bisher offenbar leichtesten, flexiblen und dennoch hoch stabilen Supraleiter-Garne zu produzieren, die prinzipiell sogar in Textilien einge­woben werden könnten. Allerdings liegt deren Sprung­tempe­ratur mit 34,3 Kelvin deutlich niedriger als bei bereits technisch genutzten Kabeln auf der Basis von keramischen Supra­leitern, die günstig mit flüssigem Stickstoff statt mit flüssigem Helium gekühlt werden können. Dennoch ist es nicht unwahr­schein­lich, dass Magnesium­diborid-Garne für spezielle Anwendungen und für grundlegende Forschungs­arbeiten in Zukunft genutzt werden könnten.

Jan Oliver Löfken

OD