SIEMENS

Dass er eine wissenschaftliche Revolution auslösen würde, hat der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes bei der erstmaligen Verflüssigung von Helium im Jahr 1908 nicht wissen können. Als erster erreichte er damit Temperaturen, die nur zwei Grad (zwei Kelvin) über dem absoluten Nullpunkt bei -273 Grad Celsius lagen. 1911 fand er bei seinen Tieftemperatur-Experimenten heraus, dass der elektrische Widerstand von Quecksilber bei vier Kelvin plötzlich auf einen kaum messbaren Wert fiel. Die Supraleitung war entdeckt, der verlustfreie Transport von elektrischem Strom.

Zwar sollte es noch 46 Jahre dauern, bevor eine theoretische Erklärung dieses Phänomens gelang, doch die möglichen Anwendungen waren Forschern schnell klar: Die Supraleitung versprach nicht nur, große Strommengen über weite Entfernungen verlustfrei zu transportieren, sondern auch hohe Magnetfelder zu erzeugen, extrem präzise Messmethoden zu ermöglichen und die Energietechnik effizienter und leistungsstärker zu gestalten. Doch ein entscheidendes Manko blieb: Nur die aufwändige und teure Kühltechnik mit dem Edelgas Helium schien in der Lage zu sein, die Sprungtemperatur – also den Punkt an dem der Supraleiter-Effekt eintritt – zu erreichen. Für die meisten Industriebereiche waren Supraleiter dadurch schlichtweg zu kostenintensiv – bis 1986.

In diesem Jahr entdeckten der Schweizer Alex Müller und der Deutsche Georg Bednorz mit Lanthan-Barium-Kupferoxid eine keramische Verbindung, die bereits bei 35 Kelvin supraleitend wurde – eine Leistung, die den beiden Physikern 1987 den Nobelpreis einbrachte. Begeistert von diesen so genannten Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) suchten Forscher weltweit nach Substanzen mit noch höheren Sprungtemperaturen. Den Rekord hält ein Quecksilber-Thallium-Barium-Kalzium-Kupferoxid mit einer Sprungtemperatur von 138 Kelvin (K). Bereits 1987 war das Yttrium-Barium-Kupfer - oxid entdeckt worden, das bei 92 K supraleitend wird. Damit war die Kühlung mit flüssigem Stickstoff bei 77 K möglich. Ein Kühlmittel, das im Gegensatz zu flüssigem Helium einfach und preiswert herzustellen ist.

Bis es aber zum breiten HTS-Einsatz kommt, dominieren noch die technisch anspruchsvollen und qualitativ hochwertigen Supraleiter, wie sie bei bildgebenden Verfahren – etwa Magnetresonanz-Tomographen (MRT) – von Siemens eingesetzt werden. Verwendet werden hier Drähte aus einer Niob-Titan-Legierung. Im Vergleich zu HTS erreichen solche supraleitenden Magnete dank der starken elektrischen Ströme, die in ihnen fließen, sehr hohe Magnetfelder mit Feldstärken von mehreren Tesla. Je höher das Magnetfeld in einem MRT ist, desto besser das Signal-Rausch-Verhältnis und desto schärfer die Bilder.

Schiffsantriebe mit Supraleitern. Erste kommerzielle Anwendungen auf HTS-Basis zeichnen sich in der Antriebs- und Energietechnik ab. Forscher von Siemens Corporate Technology (CT) haben zusammen mit den Geschäftsbereichen Marine Solutions und Large Drives einen HTS-Schiffsantrieb entwickelt, in dessen Rotor keine elektrischen Verluste anfallen. Gleichzeitig tragen die Supraleiter der Rotorwicklungen eine Stromdichte, die 100-mal größer ist als die von Kupferwicklungen. Dadurch sind Einsparungen an Gewicht und Volumen von bis zu 50 Prozent möglich – und somit hohe Kostensenkungen durch den geringeren Materialeinsatz. Ein wichtiger Aspekt für Schiffsbetreiber, da deren Antrieben in punkto Größe Grenzen gesetzt sind.

Weitere Themen der CT-Forscher sind unter anderem HTS-Strombegrenzer für Hochspannungsanlagen, die bei Kurzschlüssen automatisch und blitzschnell das Stromnetz schützen, um Schäden an Kabeln, Transformatoren und Generatoren zu vermeiden. Oder HTS-Spulen, mit denen die Verluste in Kraftwerksgeneratoren halbiert werden. Dazu müssen die HTS-Drähte im Rotor einer Zentrifugalbeschleunigung vom 5.000-fachen der Erdbeschleunigung standhalten und zugleich zuverlässig auf 33 K gekühlt werden können. Im Februar 2011 startete hierzu ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördertes Projekt für den Aufbau eines HTS-Teststandes für Kraftwerksgeneratoren. Das Projekt wird von CT koordiniert und zusammen mit dem Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) durchgeführt. Fernziel ist der Prototyp eines HTS-Generators von mehreren hundert Megawatt Leistung.

Trotz all dieser Projekte und Erfolge ist das Potenzial der Supraleiter bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Die Forscher sind sich sicher: Ob Generatoren, Motoren, Strombegrenzer oder MR-Tomographen – es werden noch viele weitere Anwendungen auf Basis der Entdeckung Onnes’ folgen. Auf die nächsten „coolen“ 100 Jahre!