Die letzten drei Wochen haben den dramatischen Aufstieg und Fall eines neuen Kandidaten für das Heilige Gral der Materialwissenschaften erlebt: einen Supraleiter, der bei Raumtemperatur funktioniert. Am 22. Juli berichtete ein Forscherteam in Südkorea über ihre Ergebnisse zu einer Verbindung, die sie LK-99 nannten, und behaupteten, dass ihre Entdeckung ein “brandneuer historischer Moment” sei, der ein “neues Zeitalter für die Menschheit” einläuten werde. Es folgte ein lauter Rummel von Online-Diskussionen in der Physik und schnelle Veröffentlichungen, nur um zwei Wochen später ins Leere zu laufen. LK-99 schien ein Misserfolg zu sein.
Das öffentliche Interesse an LK-99 war ebenso ein soziales Phänomen wie ein wissenschaftliches. Das schiere Volumen an Online-Diskussionen in Foren, Gruppenchats, Reddit und der App X, ehemals bekannt als Twitter, zog die Aufmerksamkeit von Forschungswissenschaftlern auf sich, die begannen, Simulationen und Experimente durchzuführen, um die Behauptungen des koreanischen Teams zu replizieren oder zu widerlegen. Für einen kurzen Moment fand ein großes Publikum von Menschen, die neu im Bereich der Supraleitung waren, plötzliche Faszination für einen selten gehörten, aber tiefgründigen Frage: War die Menschheit gerade in ein neues goldenes Zeitalter eingetreten?
Immer wenn elektrischer Strom durch eine Übertragungsleitung fließt, geht ein Teil als Verlustwärme verloren, eine allgegenwärtige Steuer, die von den Naturgesetzen auferlegt wird. Das Wunderbare an Supraleitern ist, dass sie Strom über große Entfernungen mit perfekter Effizienz transportieren. Wenn wir jemals herausfinden, wie wir sie kostengünstig herstellen und bei Raumtemperatur arbeiten lassen können, anstatt nur bei Hunderten von Grad unter Null, würde das unsere Wirtschaft revolutionieren und der Umwelt helfen. Supraleiter können auch beeindruckende Leistungen wie starke Magnetfelder und Levitation in der Luft erbringen, was neue Kategorien von elektronischen Geräten, Computern und Transportmitteln ermöglicht.
Leider kann das derzeit höchst temperaturbeständige Material für Supraleitung dies nur bei -10 Grad tun, wobei es unter einem Druck von etwa 1,9 Millionen Atmosphären stehen muss. Materialien, die bei Umgebungsdruck supraleitend sind, erfordern Temperaturen unterhalb von etwa -150 Grad, was ihren Einsatz auf Anwendungen beschränkt, bei denen die kryogene Technik lohnenswert ist, wie medizinische Bildgebung und experimentelle Physik.
Diese Eigenschaften werden in Supraleitern durch die Art und Weise ermöglicht, wie Elektronen sich darin anders bewegen als in gewöhnlichen Metallen. Stellen Sie sich bei Kupfer und anderen elektrisch leitfähigen Materialien eine Kugel aus elektrischem Strom vor, die in die Oberseite einer Plinko-Maschine geworfen wird und auf Stiften hinabprallt. Jeder Aufprall überträgt ein bisschen Energie von der Kugel auf einen Stift – das ist die Wärmebesteuerung in Aktion. In einem Supraleiter gleiten die Kugeln aus elektrischem Strom reibungslos, wie Murmeln auf einer Bahn. Keine Wärme, keine verlorene Energie.
Ein umweltfreundliches Stromnetz
Raumtemperatur-Supraleiter würden den größten Einfluss auf Energieerzeugung, -übertragung und -verteilung haben. Derzeit gehen 8 bis 15 Prozent aller für elektrische Netze erzeugten Energie als Verlustwärme verloren. In den USA summiert sich das auf Dutzende von Kernkraftwerken an verschwendeter Energie. Die Verwendung von Raumtemperatur-Supraleitern in elektrischen Transformatoren, die hohe Spannungen in Übertragungsleitungen auf für den Hausgebrauch geeignete Pegel senken, sowie in Generatoren, die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandeln, könnte weitere 30 bis 40 Prozent verschwendeter Energie einsparen und gleichzeitig die Menge und Komplexität der zur Herstellung solcher Geräte erforderlichen Materialien reduzieren.
Supraleitende Übertragungsleitungen würden auch den nahezu verlustfreien Transfer von erneuerbarer Energie über große Entfernungen ermöglichen. Die von massiven Solarkraftwerken in den Wüsten der Westküste erzeugte Energie könnte die Städte an der Ostküste während des Winters leichter versorgen, und auf Supraleiter basierende Energiespeicher könnten industrielle Batterien vollständig ersetzen, was eine der Hauptherausforderungen bei der Entwicklung von erneuerbarer Energie im großen Maßstab lösen würde. Diese Speichersysteme funktionieren, indem der elektrische Strom in einer endlosen Schleife zirkulieren kann und da dies nahezu ohne Verluste geschieht, kann er diese Schleife mit sehr wenig Energieaufwand weiter umrunden. Die insgesamt bei Laden und Entladen einer herkömmlichen Batterie verlorene Energie beträgt etwa 20 Prozent, während es bei einem solchen supraleitenden Speichersystem näher bei 5 Prozent liegen würde.
Bessere, günstigere MRTs
Niedrigtemperatur-Supraleiter werden heute in Anwendungen eingesetzt, die leistungsstarke Magnetfelder erfordern, wie MRT-Maschinen. Ein bedeutender Beitrag zu den Kosten dieser Maschinen ist das flüssige Helium, das benötigt wird, um die Magneten auf kryogene Temperaturen abzukühlen. Jede MRT-Maschine benötigt etwa 500 Gallonen Helium zum Betrieb, und die begrenzten, schwankenden Helium-Vorratspreise können den Preis erhöhen und die Verfügbarkeit von MRTs für Patienten in Not einschränken.
Die Auflösungsgrenze von MRT-Scans wird durch die Stärke des Magnetfelds bestimmt, und Supraleiter können sehr starke Magnetfelder erzeugen. Günstigere Maschinen, die ohne kryogene Kühlung arbeiten, wurden vorgeschlagen, hätten aber eine viel geringere Auflösung ohne Supraleiter, was ihre Fähigkeit zur Erkennung kleiner, aber wichtiger gesundheitlicher Zustände einschränken würde. Raumtemperatur-Supraleiter würden beide dieser Herausforderungen lösen. Günstigere, zugänglichere und hochauflösendere nicht-invasive medizinische Bildgebung könnte die Qualität der diagnostischen medizinischen Versorgung transformieren – insbesondere in ärmeren Ländern, die heute weniger Zugang zu MRTs haben.
Hochgeschwindigkeits-Nahverkehr
Hochfeste Magnetfelder, die von Supraleitern erzeugt werden, können auch kommerziell genutzt werden, um Hochgeschwindigkeitszüge auf einem dünnen Luftpolster über den Gleisen schweben zu lassen. Diese Technologie wird in Japan seit Jahrzehnten entwickelt, wobei Magnetschwebebahnen ursprünglich geplant waren, um 2027 für die Öffentlichkeit in Betrieb zu gehen und Geschwindigkeiten von bis zu 375 Meilen pro Stunde zwischen Tokio und Nagoya zu erreichen. In den USA wurde kürzlich eine Magnetschwebebahnstrecke vorgeschlagen, die Pendler in weniger als einer Stunde zwischen New York City und Washington, D.C. befördern soll.
Diese spezialisierten Züge sind aufgrund unserer derzeitigen Supraleiter-Materialien unglaublich teuer zu bauen und schwer zu entwickeln, was ihren Einsatz auf nur die verkehrsreichsten und dichtesten Pendlerkorridore der Welt beschränkt. Raumtemperatur-Supraleiter würden das Design und die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitszügen drastisch vereinfachen und Geschwindigkeiten erreichen, die Schiene im Wettbewerb mit Fluggesellschaften für den kontinentalen Fernverkehr ermöglichen würden. Als Bonus könnten diese Züge mit sauberer, von Supraleitern ermöglichter Netzenergie betrieben werden und die Tausende von Pfund Kohlendioxid eliminieren, die bei einem Inlandsflug zur Beförderung der Passagiere emittiert werden.
Hoch effiziente Computerchips
Die Transistoren, die alle modernen Elektronikgeräte antreiben, haben Einschränkungen: Sie können nur so schnell arbeiten, und jeder Betrieb verliert Energie als Wärme. Die Geschwindigkeit der Transistoroperationen von Computerchips nahm bis Mitte der 2010er Jahre stetig zu, als sie die materialbedingten Grenzen unserer derzeitigen Silizium-basierten Transistoren erreichte. Die Dichte der Transistoren in einem modernen Computerchip wird auch stark durch unsere Fähigkeit begrenzt, Abwärme zu entfernen, weshalb Chips kleine, flache Rechtecke sind, oft mit großen Kühlkörpern an der Oberseite, anstatt fester Würfel.
Computerchips, die mit Supraleitermaterialien entworfen sind, haben das Potenzial, rund 300-mal energieeffizienter und 10-mal schneller zu sein als unsere derzeitigen mikroelektronischen Silizium-basierten Chips. Die Beseitigung von Abwärme würde kompaktere Designs, längere Batterielebensdauer und eine geringere Belastung unseres Stromnetzes für die digitale Wirtschaft ermöglichen. Schließlich könnten wir so viele Browser-Tabs geöffnet lassen, wie wir möchten.
Fusionsenergie
Die aufregendste Rolle, die Raumtemperatur-Supraleiter in unserer zukünftigen Wirtschaft spielen könnten, ist die Produktion von billigenergie. Das jüngste Aufkommen von privat finanzierten nuklearen Fusionsprojekten wurde weitgehend durch Fortschritte in der Herstellung von Hochtemperatur-Supraleiterband ermöglicht, der extrem starke Magnetfelder erzeugt, die ein heißes, geladenes Gas namens Plasma bei über 180 Millionen Grad einschließen und einfangen. Ein aus weit verbreiteten billigen Metallen hergestellter Raumtemperatur-Supraleiter würde die Zeitspanne dramatisch verkürzen, um unsere gefährlichsten und verschmutzendsten Energieformen – Kohle und Öl – durch Fusionsenergie zu ersetzen, die nach demselben Prinzip arbeitet, das die Sonne antreibt.
Fusionsenergie, wenn sie je kommt, soll die letzte Energiequelle sein, die die Menschheit je benötigen wird. Da der Brennstoff für die Fusion aus Meerwasser extrahiert werden kann, würde er unsere Energieversorgung von den geopolitischen Turbulenzen befreien, die durch die schwankenden Preise von Öl und Erdgas immer wieder Schocks in unsere Wirtschaft senden. Um einen Eindruck von der Skala zu bekommen: Der Wasserstoff aus einer Gallone Meerwasser, der in einem Fusionsreaktor verbrannt wird, setzt ungefähr die gleiche Menge Energie frei wie über 1.000 Gallonen raffiniertes Benzin. Unbegrenzte, konfliktfreie, kohlenstofffreie Energie würde die Kosten für nahezu jeden Teil oder jedes Produkt reduzieren, da der Preis für gewöhnliche Materialien wie Stahl und Aluminium zu etwa der Hälfte aus den Kosten für die zur Herstellung erforderliche Elektrizität besteht.
Unser zentrales Dilemma in der modernen, umweltbewussten Welt ist, dass wir lernen müssen, mehr mit weniger zu tun. Der Motor unserer Wirtschaft verlangt ständiges Wachstum, um sich selbst zu erhalten. Dennoch erkennen wir die Notwendigkeit, unseren Einfluss auf die uns umgebende Welt zu reduzieren und die kranke Umwelt zu schützen. Unsere Anreize und Verpflichtungen gegenüber der materiellen Welt ziehen uns in verschiedene Richtungen. Die Anziehungskraft eines Raumtemperatur-Supraleiters wächst, während unser wirtschaftliches und ökologisches Bild dunkler wird. Es ist das Art von Wundermaterial, das den Klimawandel verlangsamen und gleichzeitig den globalen wirtschaftlichen Wohlstand ankurbeln könnte, der durch neue Technologien verwirklicht wird, die zuvor nur in Science-Fiction gesehen wurden.
In den letzten Tagen haben Wissenschaftler mehrere neue Berichte veröffentlicht, die zeigen, dass LK-99 kein Supraleiter bei Raumtemperatur ist, sondern eher eine recht gewöhnliche magnetische Substanz, die einige der visuellen Eigenschaften von Supraleitern nachahmt, wie das Schweben über einem starken Magneten, aber nicht die wichtigste physikalische Eigenschaft des null elektrischen Widerstands. Anstatt Gold zu schlagen, haben die koreanischen Wissenschaftler wahrscheinlich eine neue Form von Pyrit entdeckt.
Wir wissen immer noch nicht, ob das Feld der Supraleitforschung von den in den letzten Wochen eröffneten neuen Möglichkeiten profitieren wird, wenn viele Labore Materialien ähnlich wie LK-99 untersuchen. Es ist ein Bereich, in dem Theorie und Experiment einander oft herausgefordert haben und unsere Erwartungen an das, was möglich ist, häufig von dem, was beobachtet wurde, in Frage gestellt wurden. Obwohl das öffentliche Interesse zweifellos vorerst nachlassen wird, bleibt ein kühnes Versprechen bestehen: Ein goldenes Zeitalter der Supraleitung könnte gerade jenseits des Horizonts liegen, und die Aufgabe der Wissenschaft ist klar – einen Weg zu finden, um uns dorthin zu bringen.
