Supraleitung ist ein cooler Teil der Physik, der in vielen Faktoren unseres Lebens Verwendung findet. Wenn Wissenschaftler einen Raumtemperatur- und Drucksupraleiter entdecken könnten, würde dies die Technologie revolutionieren. Leider hat sich dies als sehr schwierige Aufgabe erwiesen und ist möglicherweise überhaupt nicht möglich.
Was ist Supraleitung?
Ein elektrischer Leiter ist ein Material, das Elektrizität leiten kann. Jedes Material hat seinen eigenen elektrischen Widerstand, der ein Maß für seinen Widerstand gegen den Stromfluss ist. Ein Material mit hohem Widerstand ist ein schlechter Leiter und umgekehrt.
Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, bei dem ein Material keinen elektrischen Widerstand hat. In diesem Zustand gibt es eine Reihe interessanter und nützlicher Effekte. Ein Supraleiter ohne Widerstand bedeutet, dass ein elektrischer Strom durch ihn geleitet werden kann, ohne jemals Energie zu verlieren oder ihn aufzuheizen. Dies kann eine vollkommen effiziente Energieübertragung und -speicherung ermöglichen.
Supraleiter können auch außergewöhnlich starke Magnete erzeugen, Beispiele dafür finden sich in MRT-Geräten und in Teilchenbeschleunigern. Experimente haben gezeigt, dass elektrische Ströme in diesen Magneten jahrelang bestehen bleiben können, ohne dass die Stärke messbar nachlässt. Die Forschung legt nahe, dass der Strom mit einigen Schätzungen mindestens 100.000 Jahre lang stabil sein würde Voraussage, dass der Strom länger als die geschätzte Lebensdauer des Universum.
Über einem Magneten platziert, bilden Supraleiter ein gleiches Magnetfeld, das den Magneten abstößt. Dadurch können Supraleiter perfekt über oder unter einem Magneten oder sogar entlang einer Magnetspur schweben.
Anforderungen an Supraleitung
Ein Material beginnt erst ab einer bestimmten Temperatur supraleitend, wenn sein elektrischer Widerstand plötzlich auf Null sinkt. Leider werden alle bekannten Supraleiter erst bei extrem kalten Temperaturen supraleitend. Ein „Hochtemperatur“-Supraleiter ist definiert als ein Material, das sich oberhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff (73 K oder -200 °C) wie ein Supraleiter verhält. Die genaue Temperatur, bei der der elektrische Widerstand eines Materials auf Null sinkt, wird als „kritische Temperatur“ bezeichnet.
Tipp: Besonders kalte Elemente der Physik werden generell in Kelvin (K) gemessen. Ein Kelvin entspricht einem Grad Celsius, aber die Kelvin-Skala beginnt beim absoluten Nullpunkt oder -273,15°C.
Der bis 2020 entdeckte Supraleiter mit der höchsten Temperatur ist Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45Ö127 die eine kritische Temperatur von 138K oder -135°C bei einer Atmosphäre Druck hat.
Die Temperatur ist nicht der einzige wichtige Faktor bei der Supraleitung, auch der Druck spielt bei einer Reihe von Supraleitern eine Rolle. Schwefelwasserstoff (H2S) hat eine kritische Temperatur von nur 203 K (-70 °C) und Lanthandecahydrid (LAH10) hat eine kritische Temperatur von 250K (-23°C). Leider müssen diese Materialien einem unglaublich hohen Druck ausgesetzt sein, um supraleitend zu werden, mit H2S benötigt 986.923 Atmosphären Druck und LaH10 1.677.770 Atmosphären benötigen.
Tipp: Der Druck auf dieser Skala wird im Allgemeinen in GPa oder Giga-Pascal gemessen, wobei die Zahlen 100 GPa bzw. 170 GPa sind. Um diesen Wert verständlicher zu machen, wurde er in Atmosphären umgerechnet. Eine Atmosphäre Druck ist der durchschnittliche Luftdruck auf Meereshöhe auf der Erde. Zum Vergleich: Der Druck am tiefsten Punkt der Ozeane der Erde, dem Challenger Deep im Marianengraben, beträgt 1.071 Atmosphären auf 10.994 Metern unter dem Meeresspiegel.
Mögliche zukünftige Anwendungen von Raumtemperatur-Supraleitern
Der Begriff „Raumtemperatur-Supraleiter“ wird verwendet, um potenzielle zukünftige Materialien zu bezeichnen, die bei Temperaturen über 273 K oder 0 °C Supraleitfähigkeit aufweisen. Um in der realen Welt besonders nützlich zu sein, müssten diese Materialien auch bei oder nahe einer Atmosphäre Druck supraleitend sein.
Ein Supraleiter bei Raumtemperatur würde dazu beitragen, die Energieprobleme der Welt zu reduzieren, indem er die elektrische Energie, die bei der Übertragung über große Entfernungen über Stromleitungen verloren geht, fast vollständig eliminiert. Sie würden auch schnellere Computer und Speichergeräte sowie empfindlichere wissenschaftliche Sensoren ermöglichen. Es würde viel billiger werden, die superstarken Magnete zu betreiben, die in Geräten wie Teilchenbeschleunigern, MRT-Geräten, Prototypen verwendet werden Kernfusionsreaktoren und Magnetschwebebahnen, da die Magnete keinen flüssigen Stickstoff benötigen, um den Supraleiter ausreichend zu kühlen, um Arbeit.