"Wenn du hier nicht aufpasst, läuft auf der ganzen Baustelle nichts. Hier kommt alles zusammen!"
Gustav Kupkowski steht im Steuerstand einer gigantischen Maschine. Eine riesige Röhre, lang wie mehrere Güterwaggons. Mit ihrem messerscharfen Schneidrad wühlt sie sich durch den Grund. Ein mechanischer Maulwurf.
"Entschuldigung, ich muss mal eben hier bedienen, sonst haben wir ein Problem."
Kupkowski ist Schildfahrer. Seine Maschine ist eine Tunnelbohrmaschine. An der Stadtgrenze von Hamburg, in 20 Metern Tiefe, treibt sie einen U-Bahn-ähnlichen Betontunnel in den Untergrund. Langsam, aber stetig, zwei Zentimeter pro Minute, 25 Meter am Tag.
"Wenn wir vorn einen dicken Findling haben – das merke ich an meinen Drücken: Halt, stopp, da ist was! Dann muss ich reagieren. Langsamer fahren, sodass wir ihn wegknabbern können, den Findling."
Die Maschine gräbt einen Fächer aus mehreren Tunneln, insgesamt sechs Kilometer. Die Tunnel sind für ein wissenschaftliches Megaprojekt bestimmt: den European XFEL, den größten Röntgenlaser der Welt. Ab 2015 wollen Europas Forscher ihre Proben mit den ultrastarken Röntgenblitzen untersuchen. Der Röntgenlaser basiert auf einer besonderen Technologie, einer Entdeckung, die vor 100 Jahren in den Niederlanden gemacht wurde – der Supraleitung.
April 1911, Universität Leiden. In seinem Labor schraubt Heike Kamerlingh Onnes an den Apparaturen. Drei Jahre zuvor hat der Physiker Bahnbrechendes geschafft, hat Heliumgas verflüssigt und einen neuen Kälterekord erzielt – minus 272 Grad Celsius, nur ein Grad Kelvin über dem Temperaturnullpunkt. "Gentleman der absoluten Null", taufte ihn die Presse. Jetzt untersucht Onnes Quecksilber in seiner Apparatur. Wie gut leitet es bei den extrem tiefen Temperaturen den elektrischen Strom? Wird, wie der berühmte Lord Kelvin glaubt, der Widerstand riesig, weil die Träger des elektrischen Stroms, die Elektronen, einfrieren?
Das Experiment beginnt. Langsam senkt Onnes die Temperatur, misst systematisch den Widerstand. Dann, bei 4,19 Kelvin, die Überraschung: Der Widerstand verschwindet, und zwar schlagartig. Onnes traut seinen Augen nicht, wiederholt den Versuch ein ums andere Mal. Das Ergebnis bleibt immer gleich: Unterhalb einer bestimmten Temperatur, der Sprungtemperatur, leitet das Quecksilber den Strom ohne jeden Verlust. Bald zeigen auch andere Metalle das rätselhafte Verhalten – Supraleitung, so nennt es Onnes. 1913 erhält er den Nobelpreis für Physik.
Für Jahrzehnte gilt die Supraleitung als exotisches Phänomen – faszinierend, aber nutzlos.
"Kommt diesen Arbeiten auch eine praktische Bedeutung zu? Wird das für die Praxis eine Rolle spielen, als man durch geeignete Apparaturen die unnötigen Leitungsverluste vermeiden könnte?"
1947. Der Rundfunkreporter Jobst Klinkmüller interviewt den Physiker Max von Laue. Einen der ganz Großen seiner Zunft.
"Eine große Rolle wird das für die Technik wohl nie spielen, weil die Herstellung so tiefer Temperaturen aller Voraussicht nach eine schwierige und auch sehr kostspielige Angelegenheit ist."
Doch von Laue liegt falsch. Die Supraleitung hält sehr wohl Einzug in die Technik, und zwar in mannigfacher Form. Und die Entwicklung geht weiter. Überall auf der Welt arbeiten Forscher und Ingenieure an neuen supraleitenden Materialien, die die Technik von morgen prägen könnten. Unverzichtbar ist die Supraleitung schon heute für manches Megaprojekt – etwa dem Europäischen Röntgenlaser in Hamburg
"Vor uns sehen wir einen dieser so genannten Resonatoren. Eine Röhre von ungefähr einem Meter Länge, in der Form von einem Baumkuchen: neun Zellen, die eine rippige Struktur zeigen."
Sebastian Aderhold, Physiker am Forschungszentrum DESY.
"Gefertigt sind die aus Niob, reinem Niob. Das ist ein Metall, das eine sehr angenehme Eigenschaft besitzt: Wenn man es sehr kalt abkühlt, dann wird es supraleitend."
Die supraleitenden Resonatoren dienen dazu, Elektronen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, damit sie intensive Röntgenblitze erzeugen können – Blitze, mit denen sich Materialproben detailliert durchleuchten lassen. Aderhold:
"Der Vorteil durch die Supraleitung: Es gibt keinen elektrischen Widerstand, sodass wir mit viel weniger elektrischen Verlusten beschleunigen können. Also deutlich energieeffizienter."
Das Ganze hat seinen Preis. Der supraleitende Resonator verlangt nach unwirtlichen Bedingungen.
"Wir müssen den abkühlen zu sehr kalten Temperaturen. Dazu muss man einen Kryostaten bauen – eine sehr große Thermoskanne."
Aderhold zeigt auf eine gelb lackierte Stahlröhre, zehn Meter lang, einen Meter dick. Dann ein Blick ins Innenleben der Röhre: in der Mitte der baumkuchenförmige Niob-Resonator, drum herum ein komplexes System aus Röhren, Schläuchen und Kabeln, um das Innere auf minus 270 Grad Celsius zu halten. Das Kältemittel Helium muss aufwändig verflüssigt werden – in Anlagen, die eine Halle füllen. Eine teure Spitzentechnologie. Doch viele wissenschaftliche Megaprojekte könnten heute ohne Supraleitung nicht gebaut werden.
Die Magneten des Teilchenbeschleunigers LHC in Genf sind supraleitend. Nur so lassen sich die schnellen Protonen, die der Gigant beschleunigt, auf einer Kreisbahn halten. Supraleitend werden auch die Magnetspulen des Fusionsreaktors Iter sein. Er wird in Südfrankreich gebaut und soll zeigen, ob die Kernfusion tatsächlich als Energiequelle taugt. Iters Magneten werden als Käfig fungieren – als Käfig für ein Abermillionen Grad heißes Gas, in dem die Fusion passieren soll.
Eine der Spitzentechnologien jedoch hat es auch in den Alltag geschafft – den Klinikalltag.
"Das Gerät verfügt über eine sehr große Patientenöffnung mit einem Durchmesser von 70 cm. Die früheren Systeme hatten eine kleinere Öffnung, was für klaustrophobe Patienten schwierig war. Diese Systeme sind sehr offen – sehr angenehm für den Patienten."
Walter Märzendorfer steht vor einem Magnetresonanz-Tomographen, auch Kernspin-Tomograph genannt. Ein Standardgerät in der Medizin, es nimmt dreidimensionale Bilder aus dem Körperinneren auf. Märzendorfer arbeitet bei Siemens Health Care, dem Weltmarktführer für Magnetresonanz-Tomographen.
MR-Geräte basieren auf einem starken, supraleitenden Magneten, der die Wasserstoffkerne im Körper ausrichtet. Sie eignen sich vor allem, um Gewebe abzubilden: innere Organe, Gehirn, Rückenmark, aber auch Gelenke. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen gelten die starken Magnetfelder der MR als unschädlich.
Im Siemens-Entwicklungslabor in Erlangen versuchen Märzendorfer und seine Kollegen, die Technik zu verfeinern. Dazu haben sie Untersuchungsräume eingerichtet, die genauso aussehen wie im Krankenhaus. Hier können die Ingenieure ihre Entwicklungen testen. Vorn der Raum mit dem Kontrollpult, hinter einer großen Glasscheibe der MRT: eine wuchtige Röhre, in der Öffnung die Patientenliege.
Märzendorfer möchte demonstrieren, welche Kräfte wirken. Er hat eine Metallkette in der Hand, ähnlich einer Hundeleine. An deren Ende ist ein Schraubenschlüssel befestigt.
"Wenn ich jetzt ans Gerät rangehe, sehen Sie, wie der angezogen wird vom Gerät. Und Sie sehen auch, wie stark die Kette gespannt ist. Da wirken erhebliche Kräfte."
Ein unsichtbarer, ungemein kräftiger Hund scheint an der Leine zu ziehen und zu zerren. Märzendorfer muss einige Kraft aufbringen, um das magnetische Vieh im Zaum zu halten.
"Die Magnettechnologie dahinter kann man mit Fug und Recht als Hochtechnologie bezeichnen. Die basiert auf Supraleitung. Man kann sich das vorstellen wie eine riesige Thermoskanne. In dieser Thermoskanne ist supraleitender Draht. Haben Sie eine Idee, wie viel Draht drin ist in so einem Gerät?"
Mmmhh, ein paar hundert Meter vielleicht?
"Das sind 90 Kilometer supraleitender Draht! Eine mächtige Spule. Diese Spule ist sehr präzise aufgewickelt."
Dann ist eine Bildaufnahme geplant. Eine junge Frau, eine Studentin, nimmt auf der Liege Platz. Der Ingenieur tippt auf die Tastatur der Steuerkonsole – und ein durchdringender Ton erfüllt den Raum. Die Kräfte im Tomographen sind so stark, dass sich Teile des Magneten hin und herbewegen – ein Peitscheneffekt. Je stärker das Magnetfeld, umso schärfer die Bilder. Genau deshalb haben die meisten Tomographen heute supraleitende Magneten eingebaut – sie sind schlicht stärker als normale Magneten. Die Mehrzahl der Geräte besitzt eine Feldstärke von 1,5 Tesla – das 30.000-Fache des Erdmagnetfelds. Manche Kliniken haben bereits einen 3-Tesla-Tomographen. Und in einigen Forschungslabors stehen Geräte mit knapp zehn Tesla. In den Bildern lassen sich Details erkennen, deutlich kleiner als ein Millimeter, sagt Walter Märzendörfer.
"Zunächst mal kann man die Anatomie des Körpers darstellen – vom Scheitel bis zur Sohle. Die Hauptanwendungen heute: Gehirn, Wirbelsäule und Gelenke. Aber wir haben auch schnell wachsende Felder wie die Mammographie. Auch die Darstellung des Herzens über MR wächst sehr schnell."
Mittlerweile stehen MR-Geräte sogar in manchem OP-Saal. Während des Eingriffs kann der Chirurg prüfen, ob er einen Tumor restlos entfernt hat. Nur: Dass die Geräte mit flüssigem Helium gekühlt werden müssen, macht die Technik teuer. Einfacher und billiger wäre ein Supraleiter, den man nicht mit Helium kühlen müsste, sondern nur noch mit Stickstoff. Dazu aber müsste das Material bei deutlich höheren Temperaturen funktionieren, bei 100 Kelvin statt bei 4 Kelvin. Lange Zeit schien das völlig ausgeschlossen. Bis vor 25 Jahren zwei Physiker des IBM-Labors in Zürich sensationelle Messdaten veröffentlichten.
"Das ist das Lustige daran: Lanthanoxid alleine, Strontiumoxid alleine, Kupferoxid alleine sind reine Isolatoren. Erst die Kombination aus allen dreien bringt die Supraleitung mit den erhöhten Sprungtemperaturen."
1986 entdeckt der deutsche Physiker Georg Bednorz gemeinsam mit seinem Schweizer Kollegen Alex Müller überraschend, dass nicht nur Metalle den elektrischen Strom verlustfrei leiten können, sondern auch Keramiken – und zwar schon bei einer Temperatur von 35 Kelvin, deutlich höher als bei den Metallen. Konsequenterweise bezeichnen Bednorz und Müller die Keramiken als "Hochtemperatur-Supraleiter". In den Labors beginnt ein Wettlauf. Forscher finden Keramiken mit immer höheren Sprungtemperaturen – erst 93 Kelvin, dann 110 Kelvin, schließlich, im Jahre 2000, 138 Kelvin, also minus 135 Celsius - noch lange nicht Raumtemperatur, aber immerhin: Die Keramiken müssen nicht mehr mit Helium gekühlt werden, sondern nur noch mit Stickstoff. 1987 erhalten Bednorz und Müller für ihre Entdeckung den Physiknobelpreis.
"Damals war nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter die Euphorie, dass demnächst alle elektrischen Geräte supraleitend betrieben werden."
Werner Prusseit, Vorsitzender des Industrieverbands Supraleitung.
"Das war natürlich über das Ziel hinausgeschossen. Denn üblicherweise ist es so, dass von der Entdeckung eines neuen Materials bis zu Produkten am Markt gut mal 20 Jahre vergehen."
Tatsächlich erweist sich die Produktion der Keramiken als schwierig, ihr Werkstoffverhalten als widerspenstig. Werner Prusseit:
"Es handelt sich um Keramiken. Das Hauptpotenzial ist natürlich, in der Energietechnik Draht zu ersetzen. Und das Problem ist: Machen Sie mal aus einer Keramik einen flexiblen Draht! Das hat wirklich über 20 Jahre gedauert, bis man Technologien entwickelt hat, um solche flexiblen Leiter herzustellen."
Doch seit kurzem lassen sich solche Keramikdrähte, auch Bandleiter genannt, industriell herstellen. Der Trick, so Werner Prusseit:
"Sie können auch eine Porzellantasse um den Finger wickeln, wenn sie dünn genug ist. Der Trick besteht darin, diese Keramik in einer sehr dünnen Schicht auf ein flexibles Substrat aufzubringen. Es gibt zwei Generationen, die an Bandleitern entwickelt worden sind. Im ersten Fall hat man Keramikpulver in ein Rohr gefüllt, hat das dann gewalzt und gezogen, und hatte dann einen Bandleiter mit sehr dünnen Keramik-Filamenten. Das war die erste Generation."
Prusseit holt einen supraleitenden Draht aus seinem Schrank. Sieht aus wie ein Stückchen Tonband aus einer Musikkassette.
"Das ist voll flexibel, können Sie um den Finger wickeln. Das kann eingesetzt werden, um es in Kabeln oder Spulen zu verwickeln."
Zum Vergleich kramt Prusseit ein daumendickes Kupferkabel hervor und hält es neben das hauchdünne Bändchen aus Keramik.
"Durch diesen Querschnitt – vier Millimeter breit und ein Zehntel Millimeter dick – können Sie so viel Strom transportieren wie durch ein daumendickes Kupferkabel!"
Jetzt endlich gibt es Produkte mit Hochtemperatur-Supraleitern zu kaufen, basierend auf der ersten Generation. Beispiel 1: Das supraleitende Stromkabel. Ein supraleitendes Kabel ist zwar teurer als ein Kupferkabel. Aber es ist viel dünner und spart Platz. Werner Prusseit:
"Der Einbau lohnt sich, wenn man viel Energie transportieren muss und sehr wenig Platz hat. Das ist immer in Ballungszentren der Fall. New York, Seoul, Tokio – das sind Städte, wo Platz sehr spärlich vorhanden ist. Der Untergrund ist voll mit allen möglichen Versorgungsleitungen."
Das erste kommerzielle supraleitende Kabel liegt seit 2008 auf Long Island nahe New York, es ist 600 Meter lang. Ein weiteres Kabel soll demnächst in Manhattan installiert werden.
Beispiel 2: Der supraleitende Magnetheizer fürs Aluminiumwerk. Die Weseralu GmbH in Minden. Sie fertigt Aluminiumprofile für Autos, Möbel und Maschinen. Eine Hydraulikpresse bringt dicke Aluminiumblöcke in die passende Form. Zuvor müssen die Blöcke vorgeheizt werden, nur dann sind sie weich genug zum Pressen. Dieses Vorheizen geschieht in einem Spezialofen, dem Blockheizer, sagt Jürgen Kellers von der Firma Zenergy aus Rheinbach.
"Das funktioniert genauso wie der Induktionsherd, der bereits in manchen Haushalten vorhanden ist. Das ist ein großtechnisch verwendeter Prozess, hat aber einen fundamentalen Nachteil, nämlich, dass man die Hälfte der Energie wegwirft."
Ein konventioneller Blockheizer verschwendet pro Jahr rund 100.000 Euro. Anders der supraleitende Blockheizer von Zenergy, der seit 2008 bei Weseralu seinen Dienst tut – die weltweit erste Industriemaschine mit Supraleitertechnologie. Sie erspart der Umwelt 600 Tonnen CO2 pro Jahr. Eine Innovation, für die Zenergy gemeinsam mit seinem Partner, dem Maschinenbauer Bültmann, den deutschen und auch den europäischen Umweltpreis erhielt.
Beispiel 3: die supraleitende Sicherung fürs Kraftwerk.
"Was Sie hier prasseln hören, sind die Kohlestücke, die durch die Mühle gehen und gemahlen werden – wie in der Kaffeemaschine."
Januar 2010. Vattenfall-Mitarbeiter Oliver Stenzel steht im Kohlekraftwerk Boxberg in Sachsen und zeigt auf eine der Kohlemühlen. Die Kohlekörner landen in einem Riesenkessel, wo sie in einem Fegefeuer verbrennen und Strom erzeugen – Technologie im Großmaßstab. Unscheinbar dagegen ist die Anlage, die abseits vom Kraftwerk hinter Sicherheitszäunen steht: ein Container in Silbermetallic.
"Vorne haben wir drei große Fensterausschnitte. Daraus schauen uns die Kryostaten an, drei Behälter. Ein Kryostat ist eine sehr gute Thermoskanne, und da sind unsere supraleitenden Elemente drin."
Die supraleitenden Elemente, sagt Joachim Bock von der Firma Nexans, sind armdicke Röhren. Sie dienen als Strombegrenzer – als elektrische Sicherung, die das Kraftwerk schützen soll. Das Prinzip: Im Normalfall leitet der Begrenzer den Strom ungehindert. Bei einem Kurzschluss aber bricht die Supraleitung schlagartig zusammen. Der Widerstand wächst um das Millionenfache.
"Das heißt von besser als Kupfer geht die Leitung in Richtung Keramik. Man kann ganz salopp sagen: Von besser als Kupfer in Richtung Ziegelstein."
Der Supraleiter macht dicht und schützt dadurch die Schaltanlagen des Kraftwerks. Vattenfall verspricht sich mehr Sicherheit – und handfeste Kostenersparnisse.
Kabel, Magnetheizer, Strombegrenzer – es sind die ersten Produkte aus Hochtemperatur-Supraleitern. Bald sollen weitere Anwendungen dazukommen, sagt Werner Prusseit vom Industrieverband Supraleitung.
"Der große Markt liegt in der Energietechnik, und dort in zwei Komponenten: dem Netz selber, also Kabel. Und in Generatoren, Kraftwerksgeneratoren. Ein großes Feld sind Windkraftgeneratoren. Der Hauptvorteil der Supraleitung ist, dass man die Geräte sehr viel kompakter bauen kann. Man braucht weniger Gewicht, man braucht weniger Raum. Wenn Sie einen Generator auf 100 Metern aufständern müssen, wie es bei einem großen Windkraftwerk der Fall ist, stößt man heute an die Grenzen dessen, was mechanisch möglich ist."
Möglich scheinen supraleitende Windräder mit zehn Megawatt Leistung, doppelt so viel wie heute. Auch in Wasserkraftwerken und Schiffen werden die neuen Generatoren und Motoren erprobt. Ebenfalls interessant scheint Supratrans – eine Straßenbahn, die auf supraleitenden Magneten schwebt. In Dresden entsteht gerade ein Prototyp. Von supraleitender Elektronik dagegen – in den neunziger Jahren heiß gehandelt – spricht heute kaum noch jemand. Zwar sind in den USA Handy-Basisstationen mit supraleitenden Frequenzfiltern ausgestattet. Aber:
"Das Produkt ist teurer als konventionelle Filter und hat sich deswegen am Markt nicht wirklich durchgesetzt."
Das große Manko der Supraleiter: Sie sind deutlich teurer als ein Kupferkabel. Prusseit:
"Bei Kupfer liegt man im Bereich von 20 bis 45 Euro pro Kiloamperemeter. Die Supraleiter, die wir heute haben, liegen im Bereich von 100 bis 200 Euro pro Kiloamperemeter."
Mit der ersten Generation von Keramiken, wie sie bislang in den Maschinen steckt, wird man den Preis nicht weiter drücken können. Sie enthält Silber, und das ist teuer. Und so hofft die Branche auf Supraleiter der zweiten Generation: die keramischen Supraleiter in neuem Gewand.
"Man nimmt ein flexibles, dünnes Stahlband und trägt mithilfe von physikalischen oder chemischen Beschichtungstechniken den Supraleiter auf", "
sagt Werner Prusseit, dessen Firma THEVA in Ismaning bei München an der neuen Produktionstechnik feilt.
Im Labor von THEVA stehen mehrere Kessel aus Edelstahl. Sie sehen aus wie Tresore mit Bullaugen in den Türen. Ihr Inneres ist luftleer gepumpt. Hier testen die Experten die einzelnen Schritte für das neue Beschichtungsverfahren. Prusseit blickt durch eines der Bullaugen in das Innere der Kammer.
""Da sehen Sie einen großen Kupfertiegel. In diesem Kupfertiegel liegen eine Art Zuckerkristalle. Das ist Magnesiumoxid. Die Elektronenkanone, mit der wir das gleich verdampfen, steht hier auf der Seite. Jetzt sehen Sie den Elektronenstrahl da drauf brutzeln, dieser schöne blaue Fleck. Wenn die Leistung hochgefahren wird, wird es ein gleißendes Weiß."
Der Elektronenstrahl verdampft das Magnesiumoxid. Der Dampf trifft auf ein schmales, hauchdünnes Stahlband, das wie ein Fließband über den Tiegel fährt. Ähnlich wie Kondenswasser auf der Fensterscheibe scheidet sich das Magnesiumoxid auf dem Stahlband ab und kristallisiert zu einer mikrometerfeinen Pufferschicht. Im nächsten Schritt wird der eigentliche Supraleiter auf das Stahlband gedampft. Ziel sind kilometerlange Bänder, aus denen sich Spulen für Generatoren wickeln lassen. Mit dieser Methode sollen sich künftig große Stückzahlen günstig produzieren lassen, hofft Prusseit.
"Wir können uns vorstellen, dass wir am Ende dieses Jahrzehnts Preise sehen, die in den Bereich von Kupfer kommen. Und dann wird das Material wirklich konkurrenzfähig."
Dann endlich könnten sich die supraleitenden Keramiken durchsetzen. Und das, obwohl die Experten im Grunde gar nicht verstehen, warum diese Keramiken überhaupt Strom verlustfrei leiten.
"Das ist ein sehr spannendes Thema, weil es ein offenes und ungelöstes Problem der Physik ist."
Rudi Hackl, Walter-Meissner-Institut in Garching bei München. Warum Metalle wie Niob bei Temperaturen nahe des Nullpunkts supraleitend werden, wissen die Physiker seit Jahrzehnten. Für die entsprechende Theorie, BCS-Theorie genannt, gab es 1972 den Physiknobelpreis.
Wenn Strom durch ein normales Metall fließt, bewegen sich seine Elektronen durch das Kristallgitter. Dabei stoßen sie sich laufend an Unregelmäßigkeiten im Gitter und verlieren Energie. Das Gitter bietet den Elektronen also einen Widerstand – den elektrischen Widerstand. In einem supraleitenden Metall dagegen finden sich die Elektronen zu Paaren zusammen, den Cooper-Paaren. Diese Paare zeigen ein merkwürdiges Verhalten, einzig erklärbar durch die Quantenphysik: Sie nehmen alle denselben Quantenzustand ein. Bildlich gesprochen bewegen sich alle Elektronen im Gleichschritt, ein Ausbrechen aus der Marschformation ist strikt verboten. Extratouren bleiben untersagt, deshalb können die Elektronen nicht mehr durch Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter abgelenkt werden. Der Strom fließt völlig verlustfrei.
Bei den metallischen Supraleitern weiß man, warum sich die Elektronen zu Paaren zusammentun – sie interagieren mit dem Kristallgitter. Bei den Keramiken dagegen ist die Ursache der Paarbildung bis heute unbekannt. Rudi Hackl und seine Kollegen tappen im Dunkeln.
"Es hat immer noch einen Hauch von Alchimie. Wenn man ehrlich ist, bleibt das immer der Intuition der Materialwissenschaftler und Chemiker überlassen, Materialien zusammenzukochen."
Vor drei Jahren, im Februar 2008, scheinen Forscher aus Tokio die richtige Intuition gehabt zu haben – oder vielleicht auch nur das nötige Glück.
"Diese Stoffe wurden wie die meisten Supraleiter durch Zufall entdeckt. Und zwar von einer japanischen Arbeitsgruppe, die eigentlich nach Halbleiterverbindungen gesucht hatte."
Die Stoffe von denen der Münchener Chemieprofessor Dirk Johrendt spricht, sind Verbindungen aus Eisen und Arsen. Als die Japaner routinemäßig deren Leitfähigkeit messen, stoßen sie auf eine Überraschung: Das Eisenarsenid ist supraleitend, und zwar bei einer Temperatur von immerhin 26 Kelvin. Eine völlig neue Klasse von Supraleitern ist entdeckt. Wenige Wochen später steigern chinesische Forscher die Sprungtemperatur auf 55 Kelvin.
"Und das war eine sehr aufregende Sache."
Auch Johrendt stellt in München die neuen Stoffe her. Er öffnet die Tür zu seinem Labor.
"Die Ausgangsstoffe sind pulverisiertes Eisen oder pulverisiertes Arsen in Form von einfachen schwarzen Pulvern."
Er geht zu einem der Labortische und hält eine Glasampulle hoch.
"Darin befindet sich ein Tiegel aus Korund. Da drin ist dieses Ausgangsgemenge: Eisen, Arsen und Barium zum Beispiel. Das wird in diesen Ampullen im Ofen erhitzt, über 1000° C."
Tage, manchmal Wochen müssen die Ampullen backen, dann erst ist der Supraleiter fertig. Winzige Körnchen, die ein wenig glitzern. Diese Körnchen beleuchten die Forscher mit Röntgenstrahlen, um ihre Struktur detailliert zu untersuchen.
Taugen die neuen Eisenverbindungen auch für Anwendungen?
"Es ist noch etwas früh, um eine endgültige Aussage machen zu können. Aber es gibt eine Reihe von Aktivitäten, die in diese Richtung gehen. Man macht zum Beispiel schon dünne Schichten, oder versucht, Drähte herzustellen."
Doch auch wenn unklar ist, ob es die Eisenarsenide jemals in die Technik schaffen – eines haben sie schon jetzt bewirkt: einen Paradigmenwechsel in der Wissenschaft. Dirk Johrendt:
"Die eigentliche Überraschung war, dass es ausgerechnet Eisen ist. Wenn man mit Physikern redete, die hätten vor Jahren nicht daran gedacht, in Eisenverbindungen nach Supraleitung zu suchen. Da hat man gesagt: Eisen ist eigentlich das letzte Element, was vernünftige Supraleiter machen könnte."
Und daraus lässt sich etwas sehr Grundlegendes schließen, sagt Dirk Johrendt.
"Es deutet sich an, dass Supraleitung ein universelles Phänomen von Materie sein kann. Dass es in allen möglichen Substanzen auftauchen kann. Ich denke, mittlerweile kann man fast nichts mehr ausschließen."
Damit erhält der alte Traum der Physiker endlich wieder Futter: der Traum vom Supraleiter, der bei Raumtemperatur funktioniert, den man nicht mehr kühlen muss. Ein Stoff, der das Zeug hätte, die Technik vollends zu revolutionieren. Johrendt:
"Natürlich wissen wir momentan nicht, wo man danach suchen sollte. Aber es gibt keine physikalische Theorie, die das von vornherein ausschließt."
Gustav Kupkowski steht im Steuerstand einer gigantischen Maschine. Eine riesige Röhre, lang wie mehrere Güterwaggons. Mit ihrem messerscharfen Schneidrad wühlt sie sich durch den Grund. Ein mechanischer Maulwurf.
"Entschuldigung, ich muss mal eben hier bedienen, sonst haben wir ein Problem."
Kupkowski ist Schildfahrer. Seine Maschine ist eine Tunnelbohrmaschine. An der Stadtgrenze von Hamburg, in 20 Metern Tiefe, treibt sie einen U-Bahn-ähnlichen Betontunnel in den Untergrund. Langsam, aber stetig, zwei Zentimeter pro Minute, 25 Meter am Tag.
"Wenn wir vorn einen dicken Findling haben – das merke ich an meinen Drücken: Halt, stopp, da ist was! Dann muss ich reagieren. Langsamer fahren, sodass wir ihn wegknabbern können, den Findling."
Die Maschine gräbt einen Fächer aus mehreren Tunneln, insgesamt sechs Kilometer. Die Tunnel sind für ein wissenschaftliches Megaprojekt bestimmt: den European XFEL, den größten Röntgenlaser der Welt. Ab 2015 wollen Europas Forscher ihre Proben mit den ultrastarken Röntgenblitzen untersuchen. Der Röntgenlaser basiert auf einer besonderen Technologie, einer Entdeckung, die vor 100 Jahren in den Niederlanden gemacht wurde – der Supraleitung.
April 1911, Universität Leiden. In seinem Labor schraubt Heike Kamerlingh Onnes an den Apparaturen. Drei Jahre zuvor hat der Physiker Bahnbrechendes geschafft, hat Heliumgas verflüssigt und einen neuen Kälterekord erzielt – minus 272 Grad Celsius, nur ein Grad Kelvin über dem Temperaturnullpunkt. "Gentleman der absoluten Null", taufte ihn die Presse. Jetzt untersucht Onnes Quecksilber in seiner Apparatur. Wie gut leitet es bei den extrem tiefen Temperaturen den elektrischen Strom? Wird, wie der berühmte Lord Kelvin glaubt, der Widerstand riesig, weil die Träger des elektrischen Stroms, die Elektronen, einfrieren?
Das Experiment beginnt. Langsam senkt Onnes die Temperatur, misst systematisch den Widerstand. Dann, bei 4,19 Kelvin, die Überraschung: Der Widerstand verschwindet, und zwar schlagartig. Onnes traut seinen Augen nicht, wiederholt den Versuch ein ums andere Mal. Das Ergebnis bleibt immer gleich: Unterhalb einer bestimmten Temperatur, der Sprungtemperatur, leitet das Quecksilber den Strom ohne jeden Verlust. Bald zeigen auch andere Metalle das rätselhafte Verhalten – Supraleitung, so nennt es Onnes. 1913 erhält er den Nobelpreis für Physik.
Für Jahrzehnte gilt die Supraleitung als exotisches Phänomen – faszinierend, aber nutzlos.
"Kommt diesen Arbeiten auch eine praktische Bedeutung zu? Wird das für die Praxis eine Rolle spielen, als man durch geeignete Apparaturen die unnötigen Leitungsverluste vermeiden könnte?"
1947. Der Rundfunkreporter Jobst Klinkmüller interviewt den Physiker Max von Laue. Einen der ganz Großen seiner Zunft.
"Eine große Rolle wird das für die Technik wohl nie spielen, weil die Herstellung so tiefer Temperaturen aller Voraussicht nach eine schwierige und auch sehr kostspielige Angelegenheit ist."
Doch von Laue liegt falsch. Die Supraleitung hält sehr wohl Einzug in die Technik, und zwar in mannigfacher Form. Und die Entwicklung geht weiter. Überall auf der Welt arbeiten Forscher und Ingenieure an neuen supraleitenden Materialien, die die Technik von morgen prägen könnten. Unverzichtbar ist die Supraleitung schon heute für manches Megaprojekt – etwa dem Europäischen Röntgenlaser in Hamburg
"Vor uns sehen wir einen dieser so genannten Resonatoren. Eine Röhre von ungefähr einem Meter Länge, in der Form von einem Baumkuchen: neun Zellen, die eine rippige Struktur zeigen."
Sebastian Aderhold, Physiker am Forschungszentrum DESY.
"Gefertigt sind die aus Niob, reinem Niob. Das ist ein Metall, das eine sehr angenehme Eigenschaft besitzt: Wenn man es sehr kalt abkühlt, dann wird es supraleitend."
Die supraleitenden Resonatoren dienen dazu, Elektronen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, damit sie intensive Röntgenblitze erzeugen können – Blitze, mit denen sich Materialproben detailliert durchleuchten lassen. Aderhold:
"Der Vorteil durch die Supraleitung: Es gibt keinen elektrischen Widerstand, sodass wir mit viel weniger elektrischen Verlusten beschleunigen können. Also deutlich energieeffizienter."
Das Ganze hat seinen Preis. Der supraleitende Resonator verlangt nach unwirtlichen Bedingungen.
"Wir müssen den abkühlen zu sehr kalten Temperaturen. Dazu muss man einen Kryostaten bauen – eine sehr große Thermoskanne."
Aderhold zeigt auf eine gelb lackierte Stahlröhre, zehn Meter lang, einen Meter dick. Dann ein Blick ins Innenleben der Röhre: in der Mitte der baumkuchenförmige Niob-Resonator, drum herum ein komplexes System aus Röhren, Schläuchen und Kabeln, um das Innere auf minus 270 Grad Celsius zu halten. Das Kältemittel Helium muss aufwändig verflüssigt werden – in Anlagen, die eine Halle füllen. Eine teure Spitzentechnologie. Doch viele wissenschaftliche Megaprojekte könnten heute ohne Supraleitung nicht gebaut werden.
Die Magneten des Teilchenbeschleunigers LHC in Genf sind supraleitend. Nur so lassen sich die schnellen Protonen, die der Gigant beschleunigt, auf einer Kreisbahn halten. Supraleitend werden auch die Magnetspulen des Fusionsreaktors Iter sein. Er wird in Südfrankreich gebaut und soll zeigen, ob die Kernfusion tatsächlich als Energiequelle taugt. Iters Magneten werden als Käfig fungieren – als Käfig für ein Abermillionen Grad heißes Gas, in dem die Fusion passieren soll.
Eine der Spitzentechnologien jedoch hat es auch in den Alltag geschafft – den Klinikalltag.
"Das Gerät verfügt über eine sehr große Patientenöffnung mit einem Durchmesser von 70 cm. Die früheren Systeme hatten eine kleinere Öffnung, was für klaustrophobe Patienten schwierig war. Diese Systeme sind sehr offen – sehr angenehm für den Patienten."
Walter Märzendorfer steht vor einem Magnetresonanz-Tomographen, auch Kernspin-Tomograph genannt. Ein Standardgerät in der Medizin, es nimmt dreidimensionale Bilder aus dem Körperinneren auf. Märzendorfer arbeitet bei Siemens Health Care, dem Weltmarktführer für Magnetresonanz-Tomographen.
MR-Geräte basieren auf einem starken, supraleitenden Magneten, der die Wasserstoffkerne im Körper ausrichtet. Sie eignen sich vor allem, um Gewebe abzubilden: innere Organe, Gehirn, Rückenmark, aber auch Gelenke. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen gelten die starken Magnetfelder der MR als unschädlich.
Im Siemens-Entwicklungslabor in Erlangen versuchen Märzendorfer und seine Kollegen, die Technik zu verfeinern. Dazu haben sie Untersuchungsräume eingerichtet, die genauso aussehen wie im Krankenhaus. Hier können die Ingenieure ihre Entwicklungen testen. Vorn der Raum mit dem Kontrollpult, hinter einer großen Glasscheibe der MRT: eine wuchtige Röhre, in der Öffnung die Patientenliege.
Märzendorfer möchte demonstrieren, welche Kräfte wirken. Er hat eine Metallkette in der Hand, ähnlich einer Hundeleine. An deren Ende ist ein Schraubenschlüssel befestigt.
"Wenn ich jetzt ans Gerät rangehe, sehen Sie, wie der angezogen wird vom Gerät. Und Sie sehen auch, wie stark die Kette gespannt ist. Da wirken erhebliche Kräfte."
Ein unsichtbarer, ungemein kräftiger Hund scheint an der Leine zu ziehen und zu zerren. Märzendorfer muss einige Kraft aufbringen, um das magnetische Vieh im Zaum zu halten.
"Die Magnettechnologie dahinter kann man mit Fug und Recht als Hochtechnologie bezeichnen. Die basiert auf Supraleitung. Man kann sich das vorstellen wie eine riesige Thermoskanne. In dieser Thermoskanne ist supraleitender Draht. Haben Sie eine Idee, wie viel Draht drin ist in so einem Gerät?"
Mmmhh, ein paar hundert Meter vielleicht?
"Das sind 90 Kilometer supraleitender Draht! Eine mächtige Spule. Diese Spule ist sehr präzise aufgewickelt."
Dann ist eine Bildaufnahme geplant. Eine junge Frau, eine Studentin, nimmt auf der Liege Platz. Der Ingenieur tippt auf die Tastatur der Steuerkonsole – und ein durchdringender Ton erfüllt den Raum. Die Kräfte im Tomographen sind so stark, dass sich Teile des Magneten hin und herbewegen – ein Peitscheneffekt. Je stärker das Magnetfeld, umso schärfer die Bilder. Genau deshalb haben die meisten Tomographen heute supraleitende Magneten eingebaut – sie sind schlicht stärker als normale Magneten. Die Mehrzahl der Geräte besitzt eine Feldstärke von 1,5 Tesla – das 30.000-Fache des Erdmagnetfelds. Manche Kliniken haben bereits einen 3-Tesla-Tomographen. Und in einigen Forschungslabors stehen Geräte mit knapp zehn Tesla. In den Bildern lassen sich Details erkennen, deutlich kleiner als ein Millimeter, sagt Walter Märzendörfer.
"Zunächst mal kann man die Anatomie des Körpers darstellen – vom Scheitel bis zur Sohle. Die Hauptanwendungen heute: Gehirn, Wirbelsäule und Gelenke. Aber wir haben auch schnell wachsende Felder wie die Mammographie. Auch die Darstellung des Herzens über MR wächst sehr schnell."
Mittlerweile stehen MR-Geräte sogar in manchem OP-Saal. Während des Eingriffs kann der Chirurg prüfen, ob er einen Tumor restlos entfernt hat. Nur: Dass die Geräte mit flüssigem Helium gekühlt werden müssen, macht die Technik teuer. Einfacher und billiger wäre ein Supraleiter, den man nicht mit Helium kühlen müsste, sondern nur noch mit Stickstoff. Dazu aber müsste das Material bei deutlich höheren Temperaturen funktionieren, bei 100 Kelvin statt bei 4 Kelvin. Lange Zeit schien das völlig ausgeschlossen. Bis vor 25 Jahren zwei Physiker des IBM-Labors in Zürich sensationelle Messdaten veröffentlichten.
"Das ist das Lustige daran: Lanthanoxid alleine, Strontiumoxid alleine, Kupferoxid alleine sind reine Isolatoren. Erst die Kombination aus allen dreien bringt die Supraleitung mit den erhöhten Sprungtemperaturen."
1986 entdeckt der deutsche Physiker Georg Bednorz gemeinsam mit seinem Schweizer Kollegen Alex Müller überraschend, dass nicht nur Metalle den elektrischen Strom verlustfrei leiten können, sondern auch Keramiken – und zwar schon bei einer Temperatur von 35 Kelvin, deutlich höher als bei den Metallen. Konsequenterweise bezeichnen Bednorz und Müller die Keramiken als "Hochtemperatur-Supraleiter". In den Labors beginnt ein Wettlauf. Forscher finden Keramiken mit immer höheren Sprungtemperaturen – erst 93 Kelvin, dann 110 Kelvin, schließlich, im Jahre 2000, 138 Kelvin, also minus 135 Celsius - noch lange nicht Raumtemperatur, aber immerhin: Die Keramiken müssen nicht mehr mit Helium gekühlt werden, sondern nur noch mit Stickstoff. 1987 erhalten Bednorz und Müller für ihre Entdeckung den Physiknobelpreis.
"Damals war nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter die Euphorie, dass demnächst alle elektrischen Geräte supraleitend betrieben werden."
Werner Prusseit, Vorsitzender des Industrieverbands Supraleitung.
"Das war natürlich über das Ziel hinausgeschossen. Denn üblicherweise ist es so, dass von der Entdeckung eines neuen Materials bis zu Produkten am Markt gut mal 20 Jahre vergehen."
Tatsächlich erweist sich die Produktion der Keramiken als schwierig, ihr Werkstoffverhalten als widerspenstig. Werner Prusseit:
"Es handelt sich um Keramiken. Das Hauptpotenzial ist natürlich, in der Energietechnik Draht zu ersetzen. Und das Problem ist: Machen Sie mal aus einer Keramik einen flexiblen Draht! Das hat wirklich über 20 Jahre gedauert, bis man Technologien entwickelt hat, um solche flexiblen Leiter herzustellen."
Doch seit kurzem lassen sich solche Keramikdrähte, auch Bandleiter genannt, industriell herstellen. Der Trick, so Werner Prusseit:
"Sie können auch eine Porzellantasse um den Finger wickeln, wenn sie dünn genug ist. Der Trick besteht darin, diese Keramik in einer sehr dünnen Schicht auf ein flexibles Substrat aufzubringen. Es gibt zwei Generationen, die an Bandleitern entwickelt worden sind. Im ersten Fall hat man Keramikpulver in ein Rohr gefüllt, hat das dann gewalzt und gezogen, und hatte dann einen Bandleiter mit sehr dünnen Keramik-Filamenten. Das war die erste Generation."
Prusseit holt einen supraleitenden Draht aus seinem Schrank. Sieht aus wie ein Stückchen Tonband aus einer Musikkassette.
"Das ist voll flexibel, können Sie um den Finger wickeln. Das kann eingesetzt werden, um es in Kabeln oder Spulen zu verwickeln."
Zum Vergleich kramt Prusseit ein daumendickes Kupferkabel hervor und hält es neben das hauchdünne Bändchen aus Keramik.
"Durch diesen Querschnitt – vier Millimeter breit und ein Zehntel Millimeter dick – können Sie so viel Strom transportieren wie durch ein daumendickes Kupferkabel!"
Jetzt endlich gibt es Produkte mit Hochtemperatur-Supraleitern zu kaufen, basierend auf der ersten Generation. Beispiel 1: Das supraleitende Stromkabel. Ein supraleitendes Kabel ist zwar teurer als ein Kupferkabel. Aber es ist viel dünner und spart Platz. Werner Prusseit:
"Der Einbau lohnt sich, wenn man viel Energie transportieren muss und sehr wenig Platz hat. Das ist immer in Ballungszentren der Fall. New York, Seoul, Tokio – das sind Städte, wo Platz sehr spärlich vorhanden ist. Der Untergrund ist voll mit allen möglichen Versorgungsleitungen."
Das erste kommerzielle supraleitende Kabel liegt seit 2008 auf Long Island nahe New York, es ist 600 Meter lang. Ein weiteres Kabel soll demnächst in Manhattan installiert werden.
Beispiel 2: Der supraleitende Magnetheizer fürs Aluminiumwerk. Die Weseralu GmbH in Minden. Sie fertigt Aluminiumprofile für Autos, Möbel und Maschinen. Eine Hydraulikpresse bringt dicke Aluminiumblöcke in die passende Form. Zuvor müssen die Blöcke vorgeheizt werden, nur dann sind sie weich genug zum Pressen. Dieses Vorheizen geschieht in einem Spezialofen, dem Blockheizer, sagt Jürgen Kellers von der Firma Zenergy aus Rheinbach.
"Das funktioniert genauso wie der Induktionsherd, der bereits in manchen Haushalten vorhanden ist. Das ist ein großtechnisch verwendeter Prozess, hat aber einen fundamentalen Nachteil, nämlich, dass man die Hälfte der Energie wegwirft."
Ein konventioneller Blockheizer verschwendet pro Jahr rund 100.000 Euro. Anders der supraleitende Blockheizer von Zenergy, der seit 2008 bei Weseralu seinen Dienst tut – die weltweit erste Industriemaschine mit Supraleitertechnologie. Sie erspart der Umwelt 600 Tonnen CO2 pro Jahr. Eine Innovation, für die Zenergy gemeinsam mit seinem Partner, dem Maschinenbauer Bültmann, den deutschen und auch den europäischen Umweltpreis erhielt.
Beispiel 3: die supraleitende Sicherung fürs Kraftwerk.
"Was Sie hier prasseln hören, sind die Kohlestücke, die durch die Mühle gehen und gemahlen werden – wie in der Kaffeemaschine."
Januar 2010. Vattenfall-Mitarbeiter Oliver Stenzel steht im Kohlekraftwerk Boxberg in Sachsen und zeigt auf eine der Kohlemühlen. Die Kohlekörner landen in einem Riesenkessel, wo sie in einem Fegefeuer verbrennen und Strom erzeugen – Technologie im Großmaßstab. Unscheinbar dagegen ist die Anlage, die abseits vom Kraftwerk hinter Sicherheitszäunen steht: ein Container in Silbermetallic.
"Vorne haben wir drei große Fensterausschnitte. Daraus schauen uns die Kryostaten an, drei Behälter. Ein Kryostat ist eine sehr gute Thermoskanne, und da sind unsere supraleitenden Elemente drin."
Die supraleitenden Elemente, sagt Joachim Bock von der Firma Nexans, sind armdicke Röhren. Sie dienen als Strombegrenzer – als elektrische Sicherung, die das Kraftwerk schützen soll. Das Prinzip: Im Normalfall leitet der Begrenzer den Strom ungehindert. Bei einem Kurzschluss aber bricht die Supraleitung schlagartig zusammen. Der Widerstand wächst um das Millionenfache.
"Das heißt von besser als Kupfer geht die Leitung in Richtung Keramik. Man kann ganz salopp sagen: Von besser als Kupfer in Richtung Ziegelstein."
Der Supraleiter macht dicht und schützt dadurch die Schaltanlagen des Kraftwerks. Vattenfall verspricht sich mehr Sicherheit – und handfeste Kostenersparnisse.
Kabel, Magnetheizer, Strombegrenzer – es sind die ersten Produkte aus Hochtemperatur-Supraleitern. Bald sollen weitere Anwendungen dazukommen, sagt Werner Prusseit vom Industrieverband Supraleitung.
"Der große Markt liegt in der Energietechnik, und dort in zwei Komponenten: dem Netz selber, also Kabel. Und in Generatoren, Kraftwerksgeneratoren. Ein großes Feld sind Windkraftgeneratoren. Der Hauptvorteil der Supraleitung ist, dass man die Geräte sehr viel kompakter bauen kann. Man braucht weniger Gewicht, man braucht weniger Raum. Wenn Sie einen Generator auf 100 Metern aufständern müssen, wie es bei einem großen Windkraftwerk der Fall ist, stößt man heute an die Grenzen dessen, was mechanisch möglich ist."
Möglich scheinen supraleitende Windräder mit zehn Megawatt Leistung, doppelt so viel wie heute. Auch in Wasserkraftwerken und Schiffen werden die neuen Generatoren und Motoren erprobt. Ebenfalls interessant scheint Supratrans – eine Straßenbahn, die auf supraleitenden Magneten schwebt. In Dresden entsteht gerade ein Prototyp. Von supraleitender Elektronik dagegen – in den neunziger Jahren heiß gehandelt – spricht heute kaum noch jemand. Zwar sind in den USA Handy-Basisstationen mit supraleitenden Frequenzfiltern ausgestattet. Aber:
"Das Produkt ist teurer als konventionelle Filter und hat sich deswegen am Markt nicht wirklich durchgesetzt."
Das große Manko der Supraleiter: Sie sind deutlich teurer als ein Kupferkabel. Prusseit:
"Bei Kupfer liegt man im Bereich von 20 bis 45 Euro pro Kiloamperemeter. Die Supraleiter, die wir heute haben, liegen im Bereich von 100 bis 200 Euro pro Kiloamperemeter."
Mit der ersten Generation von Keramiken, wie sie bislang in den Maschinen steckt, wird man den Preis nicht weiter drücken können. Sie enthält Silber, und das ist teuer. Und so hofft die Branche auf Supraleiter der zweiten Generation: die keramischen Supraleiter in neuem Gewand.
"Man nimmt ein flexibles, dünnes Stahlband und trägt mithilfe von physikalischen oder chemischen Beschichtungstechniken den Supraleiter auf", "
sagt Werner Prusseit, dessen Firma THEVA in Ismaning bei München an der neuen Produktionstechnik feilt.
Im Labor von THEVA stehen mehrere Kessel aus Edelstahl. Sie sehen aus wie Tresore mit Bullaugen in den Türen. Ihr Inneres ist luftleer gepumpt. Hier testen die Experten die einzelnen Schritte für das neue Beschichtungsverfahren. Prusseit blickt durch eines der Bullaugen in das Innere der Kammer.
""Da sehen Sie einen großen Kupfertiegel. In diesem Kupfertiegel liegen eine Art Zuckerkristalle. Das ist Magnesiumoxid. Die Elektronenkanone, mit der wir das gleich verdampfen, steht hier auf der Seite. Jetzt sehen Sie den Elektronenstrahl da drauf brutzeln, dieser schöne blaue Fleck. Wenn die Leistung hochgefahren wird, wird es ein gleißendes Weiß."
Der Elektronenstrahl verdampft das Magnesiumoxid. Der Dampf trifft auf ein schmales, hauchdünnes Stahlband, das wie ein Fließband über den Tiegel fährt. Ähnlich wie Kondenswasser auf der Fensterscheibe scheidet sich das Magnesiumoxid auf dem Stahlband ab und kristallisiert zu einer mikrometerfeinen Pufferschicht. Im nächsten Schritt wird der eigentliche Supraleiter auf das Stahlband gedampft. Ziel sind kilometerlange Bänder, aus denen sich Spulen für Generatoren wickeln lassen. Mit dieser Methode sollen sich künftig große Stückzahlen günstig produzieren lassen, hofft Prusseit.
"Wir können uns vorstellen, dass wir am Ende dieses Jahrzehnts Preise sehen, die in den Bereich von Kupfer kommen. Und dann wird das Material wirklich konkurrenzfähig."
Dann endlich könnten sich die supraleitenden Keramiken durchsetzen. Und das, obwohl die Experten im Grunde gar nicht verstehen, warum diese Keramiken überhaupt Strom verlustfrei leiten.
"Das ist ein sehr spannendes Thema, weil es ein offenes und ungelöstes Problem der Physik ist."
Rudi Hackl, Walter-Meissner-Institut in Garching bei München. Warum Metalle wie Niob bei Temperaturen nahe des Nullpunkts supraleitend werden, wissen die Physiker seit Jahrzehnten. Für die entsprechende Theorie, BCS-Theorie genannt, gab es 1972 den Physiknobelpreis.
Wenn Strom durch ein normales Metall fließt, bewegen sich seine Elektronen durch das Kristallgitter. Dabei stoßen sie sich laufend an Unregelmäßigkeiten im Gitter und verlieren Energie. Das Gitter bietet den Elektronen also einen Widerstand – den elektrischen Widerstand. In einem supraleitenden Metall dagegen finden sich die Elektronen zu Paaren zusammen, den Cooper-Paaren. Diese Paare zeigen ein merkwürdiges Verhalten, einzig erklärbar durch die Quantenphysik: Sie nehmen alle denselben Quantenzustand ein. Bildlich gesprochen bewegen sich alle Elektronen im Gleichschritt, ein Ausbrechen aus der Marschformation ist strikt verboten. Extratouren bleiben untersagt, deshalb können die Elektronen nicht mehr durch Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter abgelenkt werden. Der Strom fließt völlig verlustfrei.
Bei den metallischen Supraleitern weiß man, warum sich die Elektronen zu Paaren zusammentun – sie interagieren mit dem Kristallgitter. Bei den Keramiken dagegen ist die Ursache der Paarbildung bis heute unbekannt. Rudi Hackl und seine Kollegen tappen im Dunkeln.
"Es hat immer noch einen Hauch von Alchimie. Wenn man ehrlich ist, bleibt das immer der Intuition der Materialwissenschaftler und Chemiker überlassen, Materialien zusammenzukochen."
Vor drei Jahren, im Februar 2008, scheinen Forscher aus Tokio die richtige Intuition gehabt zu haben – oder vielleicht auch nur das nötige Glück.
"Diese Stoffe wurden wie die meisten Supraleiter durch Zufall entdeckt. Und zwar von einer japanischen Arbeitsgruppe, die eigentlich nach Halbleiterverbindungen gesucht hatte."
Die Stoffe von denen der Münchener Chemieprofessor Dirk Johrendt spricht, sind Verbindungen aus Eisen und Arsen. Als die Japaner routinemäßig deren Leitfähigkeit messen, stoßen sie auf eine Überraschung: Das Eisenarsenid ist supraleitend, und zwar bei einer Temperatur von immerhin 26 Kelvin. Eine völlig neue Klasse von Supraleitern ist entdeckt. Wenige Wochen später steigern chinesische Forscher die Sprungtemperatur auf 55 Kelvin.
"Und das war eine sehr aufregende Sache."
Auch Johrendt stellt in München die neuen Stoffe her. Er öffnet die Tür zu seinem Labor.
"Die Ausgangsstoffe sind pulverisiertes Eisen oder pulverisiertes Arsen in Form von einfachen schwarzen Pulvern."
Er geht zu einem der Labortische und hält eine Glasampulle hoch.
"Darin befindet sich ein Tiegel aus Korund. Da drin ist dieses Ausgangsgemenge: Eisen, Arsen und Barium zum Beispiel. Das wird in diesen Ampullen im Ofen erhitzt, über 1000° C."
Tage, manchmal Wochen müssen die Ampullen backen, dann erst ist der Supraleiter fertig. Winzige Körnchen, die ein wenig glitzern. Diese Körnchen beleuchten die Forscher mit Röntgenstrahlen, um ihre Struktur detailliert zu untersuchen.
Taugen die neuen Eisenverbindungen auch für Anwendungen?
"Es ist noch etwas früh, um eine endgültige Aussage machen zu können. Aber es gibt eine Reihe von Aktivitäten, die in diese Richtung gehen. Man macht zum Beispiel schon dünne Schichten, oder versucht, Drähte herzustellen."
Doch auch wenn unklar ist, ob es die Eisenarsenide jemals in die Technik schaffen – eines haben sie schon jetzt bewirkt: einen Paradigmenwechsel in der Wissenschaft. Dirk Johrendt:
"Die eigentliche Überraschung war, dass es ausgerechnet Eisen ist. Wenn man mit Physikern redete, die hätten vor Jahren nicht daran gedacht, in Eisenverbindungen nach Supraleitung zu suchen. Da hat man gesagt: Eisen ist eigentlich das letzte Element, was vernünftige Supraleiter machen könnte."
Und daraus lässt sich etwas sehr Grundlegendes schließen, sagt Dirk Johrendt.
"Es deutet sich an, dass Supraleitung ein universelles Phänomen von Materie sein kann. Dass es in allen möglichen Substanzen auftauchen kann. Ich denke, mittlerweile kann man fast nichts mehr ausschließen."
Damit erhält der alte Traum der Physiker endlich wieder Futter: der Traum vom Supraleiter, der bei Raumtemperatur funktioniert, den man nicht mehr kühlen muss. Ein Stoff, der das Zeug hätte, die Technik vollends zu revolutionieren. Johrendt:
"Natürlich wissen wir momentan nicht, wo man danach suchen sollte. Aber es gibt keine physikalische Theorie, die das von vornherein ausschließt."