Meinung

Jul 11, 2023

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Gastaufsatz

Von Andrew Cote

Herr Cote ist ein technischer Physiker, der in Laboren für die Physik kondensierter Materie und in Teilchenbeschleunigern mit Supraleitern gearbeitet und supraleitende Magnetsysteme für die Kernfusion entwickelt hat.

In den letzten drei Wochen erlebten wir den dramatischen Aufstieg und Fall eines neuen Kandidaten für den heiligen Gral der Materialwissenschaften: eines Supraleiters, der bei Raumtemperatur funktioniert. Am 22. Juli berichtete ein Forscherteam in Südkorea über seine Ergebnisse zu einer Verbindung, die sie LK-99 nannten, und behauptete, ihre Entdeckung sei ein „völlig neuer historischer Moment“, der „eine neue Ära für die Menschheit eröffnen“ würde. Es folgte eine wilde Hektik von Online-Physikdiskussionen und rasanten Veröffentlichungen, die jedoch zwei Wochen später scheiterte. LK-99 schien eine Pleite zu sein.

Das öffentliche Interesse an LK-99 war sowohl ein gesellschaftliches als auch ein wissenschaftliches Phänomen. Die schiere Menge an Online-Diskussionen in Message Boards, Gruppenchats, Reddit und X, der früher als Twitter bekannten App, erregte die Aufmerksamkeit von Forschern, die damit begannen, Simulationen und Experimente durchzuführen, um die Behauptungen des koreanischen Teams zu reproduzieren oder zu widerlegen. Für einen kurzen Moment entdeckte ein großes Publikum von Neulingen in der Supraleitung plötzlich eine Faszination für ein Nischengebiet der Materialwissenschaften und suchte nach einer Antwort auf eine selten gehörte, aber tiefgreifende Frage: War die Menschheit gerade in ein neues goldenes Zeitalter eingetreten?

Immer wenn Strom durch eine Übertragungsleitung fließt, geht ein Teil davon als Abwärme verloren, eine allgegenwärtige Steuer, die durch die Naturgesetze entsteht. Das wundersame Potenzial von Supraleitern besteht darin, dass sie Elektrizität mit perfekter Effizienz über große Entfernungen transportieren können. Wenn wir jemals herausfinden, wie wir sie kostengünstig herstellen und dafür sorgen können, dass sie bei Raumtemperatur und nicht nur bei Hunderten von Grad unter Null funktionieren, würde das unsere Wirtschaft revolutionieren und zum Schutz der Umwelt beitragen. Supraleiter können auch Leistungen wie starke Magnetfelder und Levitation in der Luft erbringen und so neue Kategorien elektronischer Geräte, Computer und Transportmittel ermöglichen.

Leider ist die supraleitende Funktion des Materials mit der höchsten Temperatur, von der derzeit bekannt ist, erst bei -10 Grad möglich, während dafür ein Druck von etwa 1,9 Millionen Atmosphären ausgeübt werden muss. Materialien, die bei Umgebungsdruck supraleitend sind, erfordern Temperaturen unter etwa -150 Grad, was ihren Einsatz auf Anwendungen beschränkt, bei denen sich die Kryotechnik lohnt, wie etwa medizinische Bildgebung und Experimentalphysik.

Die Suche nach Raumtemperatur

Supraleiter

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler Materialien entdeckt, die bei immer höheren Temperaturen supraleitend sind.

100°F

Zimmertemperatur

0

Viele der Hochtemperatur-Supraleiter erfordern zum Betrieb einen extremen Druck zwischen 100.000 und Millionen Atmosphären.

-100

-200

-300

Flüssigstickstoff

-400

Flüssiger Wasserstoff

1940

1960

1980

2000

2020

Die Suche nach einem Raumtemperatur-Supraleiter

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler Materialien entdeckt, die bei immer höheren Temperaturen supraleitend sind.

100°F

Zimmertemperatur

0

Viele der Hochtemperatur-Supraleiter erfordern zum Betrieb einen extremen Druck zwischen 100.000 und Millionen Atmosphären.

-100

-200

-300

Flüssigstickstoff

-400

Flüssiger Wasserstoff

1940

1960

1980

2000

2020

Quelle: Basierend auf der Dissertation von Olivier Gingras (2021) und Pia Jensen Ray (2015).

Grafik von Sara Chodosh.

Diese Eigenschaften werden bei Supraleitern dadurch ermöglicht, dass sich Elektronen durch sie anders bewegen als durch gewöhnliche Metalle. Stellen Sie sich bei Kupfer und anderen elektrisch leitenden Materialien einen Ball aus elektrischem Strom vor, der in die Oberseite einer Plinko-Maschine fällt und auf Stiften den ganzen Weg nach unten prallt. Bei jedem Sprung wird ein wenig Energie vom Ball auf einen Stift übertragen – das ist die Wärmesteuer, die am Werk ist. In einem Supraleiter gleiten die Kugeln aus elektrischem Strom sanft wie Murmeln auf einer Bahn. Keine Hitze, keine verlorene Energie.

Raumtemperatur-Supraleiter hätten den größten Einfluss auf die Energieerzeugung, -übertragung und -verteilung. Derzeit gehen 8 bis 15 Prozent der gesamten für Stromnetze erzeugten Energie auf dem Weg zur Nutzung als Abwärme verloren. In den Vereinigten Staaten summiert sich dies auf die Energieverschwendung von Dutzenden von Kernkraftwerken. Durch den Einsatz von Raumtemperatur-Supraleitern in elektrischen Transformatoren, die die Hochspannung in Übertragungsleitungen auf ein für den Heimgebrauch geeignetes Niveau senken, und Generatoren, die Rotationsenergie in elektrischen Strom umwandeln, könnten weitere 30 bis 40 Prozent der verschwendeten Energie eingespart und gleichzeitig die Menge an Energie verringert werden Komplexität der Materialien, die für die Herstellung solcher Geräte überhaupt erforderlich sind.

Supraleitende Übertragungsleitungen würden auch eine nahezu verlustfreie Übertragung erneuerbarer Energie über große Entfernungen ermöglichen. Strom, der durch riesige Solaranlagen in den Wüsten der Westküste erzeugt wird, könnte Städte an der Ostküste den ganzen Winter über leichter mit Energie versorgen, und supraleiterbasierte Energiespeicher könnten Batterien im industriellen Maßstab vollständig ersetzen und damit eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung erneuerbarer Energien in großem Maßstab lösen. Diese Speichersysteme funktionieren, indem sie elektrischen Strom in einer Endlosschleife fließen lassen, und da dies praktisch ohne Verluste geschieht, kann es diese Schleife mit sehr geringem Energieaufwand weiter umkreisen, um sie am Laufen zu halten. Der Gesamtenergieverlust beim Laden und Entladen einer herkömmlichen Batterie beträgt etwa 20 Prozent, während er in einem solchen supraleitenden Speichersystem eher bei 5 Prozent liegen würde.

Niedertemperatur-Supraleiter werden heute in Anwendungen eingesetzt, die starke Magnetfelder erfordern, beispielsweise in MRT-Geräten. Ein wesentlicher Kostenfaktor für diese Maschinen ist das flüssige Helium, das zum Abkühlen der Magnete auf kryogene Temperaturen benötigt wird. Jedes MRT-Gerät benötigt zum Betrieb etwa 500 Gallonen Helium, und die begrenzten, schwankenden Versorgungspreise für Helium können den Preis in die Höhe treiben und die Verfügbarkeit von MRTs für bedürftige Patienten einschränken.

Die Auflösungsgrenze von MRT-Scans wird durch die Stärke des Magnetfelds bestimmt, und Supraleiter können sehr starke Magnetfelder erzeugen. Es wurden günstigere Maschinen vorgeschlagen, die ohne kryogene Kühlung arbeiten, aber ohne Supraleiter hätten sie eine viel geringere Auflösung, was ihre Fähigkeit, kleine, aber wichtige Gesundheitszustände zu erkennen, einschränkt. Raumtemperatur-Supraleiter würden beide Herausforderungen lösen. Eine kostengünstigere, leichter zugängliche und hochauflösendere nichtinvasive medizinische Bildgebung könnte die Qualität der diagnostischen medizinischen Versorgung verändern – insbesondere in ärmeren Ländern, die heute weniger Zugang zu MRTs haben.

Durch Supraleiter erzeugte hochstarke Magnetfelder können auch kommerziell genutzt werden, um Hochgeschwindigkeitszüge auf einem dünnen Luftkissen über den Gleisen schweben zu lassen. Diese Technologie wird in Japan seit Jahrzehnten entwickelt. Ursprünglich war geplant, dass Magnetschwebebahnen im Jahr 2027 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 600 km/h zwischen Tokio und Nagoya verkehren. In den Vereinigten Staaten wurde kürzlich eine Magnetschwebebahn vorgeschlagen, die Pendler in weniger als einer Stunde zwischen New York City und Washington, D.C. befördern soll.

Der Bau dieser Spezialzüge ist unglaublich kostspielig und aufgrund unserer aktuellen supraleitenden Materialien schwierig zu konstruieren, sodass ihre Anwendung nur auf die verkehrsreichsten und dichtesten Pendlerkorridore der Welt beschränkt ist. Supraleiter bei Raumtemperatur würden die Konstruktion und Konstruktion von Hochgeschwindigkeitszügen drastisch vereinfachen und Geschwindigkeiten erreichen, die die Bahn im kontinentalen Intercity-Verkehr mit Fluggesellschaften konkurrenzfähig machen würden. Als Bonus könnten diese Züge mit sauberer, supraleitender Netzenergie betrieben werden, wodurch die Tausenden Pfund Kohlendioxid entfallen würden, die bei der Beförderung der Passagiere auf einem Inlandsflug ausgestoßen werden.

Die Transistoren, die die gesamte moderne Elektronik antreiben, haben Einschränkungen: Sie können nur eine begrenzte Geschwindigkeit erreichen, und bei jedem Vorgang geht Energie in Form von Wärme verloren. Die Geschwindigkeit der Transistoroperationen von Computerchips nahm stetig zu, bis sie Mitte der 2010er Jahre die materiellen Grenzen unserer aktuellen siliziumbasierten Transistoren erreichte. Die Dichte der Transistoren in einem modernen Computerchip wird auch stark durch unsere Fähigkeit, Abwärme abzuleiten, begrenzt, weshalb Chips kleine, flache Rechtecke sind, oft mit großen Kühlkörpern an der Oberseite, statt massiver Würfel.

Computerchips aus supraleitenden Materialien haben das Potenzial, etwa 300-mal so energieeffizient und zehnmal so schnell zu sein wie unsere aktuelle Mikroelektronik auf Siliziumbasis. Die Eliminierung der Abwärme würde kompaktere Designs, längere Batterielebensdauern und eine geringere Steuer auf unser Stromnetz ermöglichen, um die digitale Wirtschaft anzutreiben. Schließlich könnten wir so viele Browser-Tabs geöffnet lassen, wie wir möchten.

Die aufregendste Rolle, die Raumtemperatursupraleiter in unserer zukünftigen Wirtschaft spielen könnten, ist die Produktion billiger, sauberer Energie. Das jüngste Aufkommen privat finanzierter Kernfusionsprojekte wurde größtenteils durch Fortschritte bei der Herstellung von Hochtemperatur-Supraleiterbändern ermöglicht, die extrem starke Magnetfelder erzeugen, die ein heißes, geladenes Gas namens Plasma bei über 180 Millionen Grad einfangen und einschließen. Ein Raumtemperatur-Supraleiter aus allgemein verfügbaren billigen Metallen würde den Zeitrahmen für den Ersatz unserer gefährlichsten und umweltschädlichsten Energieformen – Kohle und Öl – durch Fusionsenergie, die nach dem gleichen Prinzip funktioniert wie die Sonne, drastisch beschleunigen.

Fusionsenergie, falls sie jemals verfügbar sein sollte, gilt als die letzte Energiequelle, die die Menschheit jemals brauchen wird. Da der Brennstoff für die Fusion aus Meerwasser gewonnen werden kann, würde dies unsere Energieversorgung von den geopolitischen Turbulenzen befreien, die unserer Wirtschaft von Zeit zu Zeit durch die schwankenden Öl- und Erdgaspreise Schocks bescheren. Zur Veranschaulichung: Der Wasserstoff aus einer Gallone Meerwasser setzt bei der Verbrennung in einem Fusionsreaktor ungefähr die gleiche Energiemenge frei wie über 1.000 Gallonen raffiniertes Benzin. Unbegrenzte, konfliktfreie und kohlenstofffreie Energie würde die Kosten fast aller Teile oder Produkte senken, da die Hälfte des Preises gängiger Materialien wie Stahl und Aluminium den Kosten für den Strom entspricht, der zu ihrer Herstellung benötigt wird.

Unser zentrales Dilemma in der modernen, umweltbewussten Welt besteht darin, dass wir lernen müssen, mit weniger mehr zu erreichen. Der Motor unserer Wirtschaft erfordert ständiges Wachstum, um sich zu behaupten. Dennoch erkennen wir auch die Notwendigkeit, unsere Auswirkungen auf die Welt um uns herum zu reduzieren und die angeschlagene Umwelt zu schützen. Unsere Anreize und Verpflichtungen gegenüber der materiellen Welt ziehen uns in verschiedene Richtungen. Die Anziehungskraft eines Raumtemperatur-Supraleiters wächst, während sich unsere Wirtschafts- und Umweltlage verschlechtert. Es handelt sich um die Art von Wundermaterial, das den Klimawandel verlangsamen und gleichzeitig den globalen wirtschaftlichen Wohlstand steigern könnte, realisiert durch neue Technologien, die bisher nur in der Science-Fiction zu sehen waren.

In den letzten Tagen haben Wissenschaftler mehrere neue Berichte veröffentlicht, aus denen hervorgeht, dass LK-99 bei Raumtemperatur kein Supraleiter ist, sondern eher eine recht banale magnetische Substanz, die einige der für Supraleiter charakteristischen visuellen Eigenschaften nachahmt, wie etwa das Schweben über einem starken Magneten, jedoch nicht die meisten wichtige physikalische Eigenschaft des elektrischen Widerstands von Null. Anstatt auf Gold zu stoßen, entdeckten die koreanischen Wissenschaftler wahrscheinlich eine neue Form von Pyrit.

Wir wissen immer noch nicht, ob der Bereich der Supraleitungsforschung von den neuen Möglichkeiten profitieren wird, die sich in den letzten Wochen eröffnet haben, wenn viele Labore weiterhin Materialien untersuchen, die LK-99 ähneln. Es ist ein Bereich, in dem sich Theorie und Experiment oft gegenseitig herausgefordert haben und unsere Erwartungen an das, was möglich ist, häufig durch die Beobachtungen in Frage gestellt wurden. Obwohl das öffentliche Interesse zweifellos vorerst nachlassen wird, bleibt ein kühnes Versprechen bestehen: Ein goldenes Zeitalter der Supraleitung könnte kurz vor der Tür stehen, und die Rolle der Wissenschaft ist klar – einen Weg zu finden, uns dorthin zu bringen.

Illustrationen von Taylor Maggiacomo.

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