Gesundheit: Elektrische Leitung ohne Verluste: Warmer Strom in tiefster Kälte

Elektrische Kabel sind die Lebensadern der Industrieländer. Beim Transport des Stroms verlieren sie jedoch einen Gutteil des Saftes: in Überlandleitungen auf 100 Kilometer Distanz durchaus ein paar Prozent der ursprünglichen Leistung. Diese Energievergeudung ließe sich mit Kabeln aus besonderen Substanzen vermeiden: mit Supraleitern. Sie transportieren den Strom völlig verlustfrei. Allerdings kommen bislang nur extrem kalte und schwer handhabbare Materialien als Supraleiter in Frage.

Bei der Suche nach geeigneten Stoffen hat man jedoch zumindest einen recht leicht zu gewinnenden lange Zeit übersehen: Magnesiumdiborid. Japanische Forscher haben jetzt zur Überraschung ihrer Kollegen herausgefunden, dass diese Substanz bei einer Abkühlung auf minus 234 Grad Celsius plötzlich supraleitend wird. Die Sprungtemperatur ist zwar sehr niedrig - nur 39 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Sie ist aber damit fast doppelt so hoch wie bei anderen metallischen Verbindungen.

Magnesiumdiborid könnte daher herkömmliche Supraleiter wie Niob ersetzen, das heute Ausgangsmaterial für starke Magnete in Kernspintomographen der Medizin oder in physikalischen Anlagen wie Teilchenbeschleunigern ist. Die Entdeckung stimmt Forscher aber vor allem deshalb so optimistisch, weil sie den Blick auf eine vielleicht sehr zahlreiche Familie neuer supraleitender Substanzen lenkt. Wäre man bereits in den 70er Jahren auf Magnesiumdiborid gestoßen, so wäre die weitere Forschung zur Supraleitung sicherlich völlig anders verlaufen, meint Robert J. Cava von der Universität Princeton in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Nature".

Herstellung ist auch wichtig

Magnesiumdiborid ist zwar kein neuer Rekordhalter. Seit Mitte der 80er Jahre sind keramische Stoffe bekannt, die den Strom bereits in wärmerem Zustand widerstandsfrei führen. Diese Hochtemperatursupraleiter (siehe Kasten) eignen sich jedoch nicht sonderlich gut für die Herstellung von Drähten. Sie sind meist spröde, lassen sich nicht gut verformen und bergen mitunter recht giftige Schwermetalle.

Um starke Ströme übertragen zu können, müssten keramische Drähte außerdem sehr homogen sein. Bei ihrer Herstellung bilden sich indessen kleine Kristallite. An ihren Grenzen stoßen die Elektronen - und damit der Strom - auf zum Teil schwer überwindbare Hürden.

Physiker und Chemiker suchen daher nach Alternativen zu den keramischen Supraleitern. Mit Magnesiumdiborid haben sie einen vielversprechenden Kandidaten gefunden. Er leitet den Strom bei extrem tiefen Temperaturen auf ähnliche Weise wie andere Metalle.

Paarweise durch den Kristall

Die Elektronen, die den Strom transportieren, schließen sich dabei zu Paaren zusammen. Diese Elektronen-Pärchen sausen reibungslos durch den Kristall - eine Folge der Schwingungen des Kristallgitters (siehe Kasten). Im Falle des Magnesiumdiborids bleiben sie bis zu Temperaturen von 39 Grad über dem absoluten Kältepunkt noch vereint, wie Jun Nagamatsu und sein Team von der Aoyama-Gakuin-Universität in Tokio herausgefunden haben.

Bei der Deutung der Supraleitung des Magnesiumsdiborids können sich die Forscher auf bekannte Theorien stützen. Das erleichtert die Interpretation der Beobachtung. "Mit Sicherheit werden wir in der Lage sein, die Sprungtemperatur mit Hilfe ähnlich aufgebauter Materialien in der nächsten Zeit zu erhöhen", sagt Manuel Cardona, ehemaliger Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Dort haben Physiker den Stoff bereits näher unter die Lupe genommen.

"Wenn wir das Magnesium durch Aluminium ersetzen, dann fällt die Sprungtemperatur", sagt Cardona. "Aber vielleicht haben wir mit Alkali-Metallen mehr Erfolg." Nach der Entdeckung der komplexen Hochtemperatur-Supraleiter erreichten Forscher durch geringfügige Veränderungen der Molekülstruktur schon innerhalb eines halben Jahres riesige Temperatursprünge von einigen Dutzend Grad. Sie gelangten so in einen Temperaturbereich, in dem die Keramiken nicht mehr mit flüssigem Helium gekühlt werden mussten, sondern mit billigerem Stickstoff gefroren werden konnten.

Bei Magnesiumdiborid ist ihnen bislang nur ein kleiner Sprung geglückt. Der Physiker Paul Canfield von der Iowa State University in den USA und seine Kollegen ersetzten das schwerere Bor-11 in der Verbindung durch die leichtere Variante Bor-10. Wie sie in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" berichten, stieg dadurch die Temperatur, bei der die Supraleitung sichtbar wurde, um ein Grad.

Paul Canfield hat auch schon erste Drähte aus dem üblicherweise pulverförmigen Stoff hergestellt. Er glaubt wie zahlreiche andere Wissenschaftler, dass sich das Magnesiumdiborid als weitaus nützlicher erweisen könnte als die keramischen Supraleiter, und hofft auf neuartige Stromleitungen, Transformatoren und Magnetspulen.