Supraleiter bei Raumtemperatur erfreuen sich großer Beliebtheit. Welchen Nutzen wird die Luft- und Raumfahrtindustrie davon haben?

Kürzlich behauptete eine südkoreanische Zeitung, sie habe das weltweit erste supraleitende Material bei Raumtemperatur entdeckt, was die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit erregte. Wenn wir den ganzen Lärm im Internet ignorieren, können wir genauso gut drei Fragen klären: Was ist Supraleitung und Supraleitung bei Raumtemperatur? Welche technischen Schwierigkeiten müssen wissenschaftliche Forscher überwinden, um relevante Erfolge zu erzielen? Wenn die Supraleitung bei Raumtemperatur Realität wird, welche Anwendungsaussichten könnte sie in der Luft- und Raumfahrt haben?

Es gibt viele Einschränkungen hinter der Magie

Bevor wir die Supraleitung bei Raumtemperatur diskutieren, müssen wir das Konzept der Supraleitung verstehen. Die sogenannte „Supraleitung“ führt dazu, dass elektrischer Strom ungehindert durch den Leiter fließen und ein starkes Magnetfeld erzeugen kann. Das häufigste Anwendungsszenario der Supraleitung im täglichen Leben dürfte das MRT-Gerät im Krankenhaus sein, dessen Kernkomponente die Spule aus Draht aus einer Niob-Titan-Legierung ist.

Damit das Material jedoch einen supraleitenden Zustand erreichen kann, ist traditionell die Verwendung einer großen Menge flüssigen Heliums und einer Kryokälteanlage erforderlich, um es auf etwa minus 264 Grad Celsius abzukühlen. Dies ist zweifellos mit enormen Kosten verbunden, darunter einem enormen Energieverbrauch, den hohen Kosten für flüssiges Helium und einer komplexen Struktur. In den letzten Jahren wurden mit der Weiterentwicklung der Materialtechnologie kontinuierlich einige Materialien entdeckt und verbessert, die im Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff (etwa minus 196 Grad Celsius) oder sogar noch höheren Temperaturen supraleitende Eigenschaften aufweisen können, aber sie sind noch weit von der Raumtemperatur entfernt.

Imaginäres Bild einer elektromagnetischen Weltraumstartvorrichtung

Die Supraleitungsforschung war im 20. Jahrhundert ein Grenzgebiet der Materialwissenschaften. Im Jahr 1908 gelang die Herstellung von flüssigem Helium mit einem Siedepunkt von etwa minus 269 Grad Celsius und legte damit den Grundstein für die Supraleitungsforschung. Im Jahr 1911 entdeckten Forscher, dass der Widerstand von Quecksilber bei der extrem niedrigen Temperatur einer Umgebung aus flüssigem Helium plötzlich verschwand. Dies gilt als „Ausgangspunkt“ der Supraleitungsforschung. Im Jahr 1933 erkannten die deutschen Physiker Meissner und Ossenfeld, dass die gesamte magnetische Induktionsintensität im Inneren des Materials Null ist, solange die Temperatur des Materials unter der kritischen Temperatur der Supraleitung liegt, das heißt, es ist vollständig antimagnetisch. Dies ist der „Meiners-Effekt“, der Teststandard für Supraleitung.

Wie kommt es also zur Tieftemperatur-Supraleitung? Die Antwort liegt in der exquisiten mikroskopischen Welt.

Die klassische Theorie geht davon aus, dass Widerstand durch die Kollision und Blockierung von Elektronen in Drähten entsteht.

In supraleitenden Materialien bilden Elektronen jedoch Paare, sogenannte „Cooper-Paare“, und weichen Hindernissen schnell aus, indem sie tanzen, wodurch eine widerstandslose Übertragung des elektrischen Stroms erreicht wird. Man geht davon aus, dass dieses erstaunliche Phänomen durch die Schwingung von Atomen im Inneren des Materialkristalls verursacht wird. Dies entspricht der von Bardeen, Cooper und Schrieffer vorgeschlagenen „BCS-Theorie“.

Aufgrund der Einschränkungen bei extrem niedrigen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei flüssigem Helium auftreten, war die Anwendung der Supraleitung in großen technischen Projekten jedoch lange Zeit schwierig, was die Forscher auch dazu veranlasste, mit großer Begeisterung an der Erforschung von „Hochtemperatur“-Supraleitern zu arbeiten. Im Jahr 1986 stellten Wissenschaftler mit großer Überraschung fest, dass Yttrium-Barium-Kupferoxid, Materialien auf Wismutbasis usw. auch bei relativ hohen Temperaturen von flüssigem Stickstoff noch Supraleitung aufweisen konnten. Dies bedeutet, dass flüssiger Stickstoff, der leichter zu beschaffen und billiger ist, als supraleitendes Kühlmittel verwendet werden kann.

Dieser Durchbruch bietet eine breitere „Bühne“ für die praktische Anwendung der Supraleitung und ist zudem eine starke Unterstützung für den Bau vieler großer wissenschaftlicher Einrichtungen. Beispielsweise wurden in Anlagen wie dem EAST und dem International Thermonuclear Experimental Reactor neue supraleitende Kabel verwendet, wodurch der Strombedarf des Kühlsystems effektiv gesenkt wurde.

Allerdings scheint die Forschung zu „Hochtemperatur“-Supraleitern derzeit mit dem Dilemma konfrontiert zu sein, dass die Theorie hinter der Realität zurückbleibt. Wissenschaftler arbeiten intensiv an der Erforschung dieses Mysteriums, konnten dessen genaue Grundlagen jedoch noch nicht vollständig entschlüsseln und befinden sich im Wesentlichen noch immer im Stadium der Hypothesen. Einige Wissenschaftler sind beispielsweise der Ansicht, dass komplexe Wechselwirkungen zwischen Elektronen und neuen Phänomenen der kondensierten Materie die Hauptursache für die Entstehung von „Hochtemperatur“-Supraleitern sein könnten.

Es ist nicht schwer zu erkennen, dass die sogenannte „hohe Temperatur“ im Bereich der Supraleitungsforschung für die breite Öffentlichkeit im Alltag noch immer nicht erfahrbar ist. Daher ist es noch schwieriger, Supraleitung unter Raumtemperaturbedingungen zu erreichen.

Unbegrenzte Perspektiven für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Die Raumfahrt ist ein großartiges Unterfangen, bei dem die Geschwindigkeit genutzt wird, um sich von den Zwängen der planetaren Schwerkraft zu befreien und den weiten Weltraum zu erkunden und zu erschließen. Der klassischste Raumfahrzeugträger ist die Rakete. Sie nutzt im Allgemeinen den bei der Verbrennung von Treibstoff entstehenden Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsstrahl, um eine starke Reaktionskraft zu erzeugen und die Nutzlast kontinuierlich zu beschleunigen und anzuheben, bis sie aus der Atmosphäre fliegt.

Die meisten der vorhandenen Raketen starten jedoch direkt von Bodenstartrampen. Um zu beschleunigen und aus der Troposphäre mit ihrer dichten Luft und dem hohen Widerstand herauszufliegen, wird eine große Menge Treibstoff benötigt, was auch bedeutet, dass die Rakete viel wertvolle Tragfähigkeit verliert.

Um dieses Problem zu lösen, haben Raumfahrtagenturen eine Reihe innovativer Lösungen vorgeschlagen, darunter den Luftstart von Raketen, die auf Flugzeugen montiert sind, den Start von Raketen in große Höhen mithilfe riesiger Luftschiffe und Ballons sowie den Start von Raketen durch Auswerfen von Zentrifugen.

So erreichte beispielsweise die US-amerikanische luftgestützte Rakete Pegasus im Jahr 1990 erfolgreich die Umlaufbahn. Vor dem Start wurde sie unter dem Bauch eines speziell umgebauten Passagierflugzeugs aufgehängt. Als das Trägerflugzeug mit einer Geschwindigkeit von Mach 0,8 in einer Höhe von etwa 13.000 Metern flog, wurde die Rakete abgefeuert und anschließend der Feststoffmotor der ersten Stufe gezündet, um den Steigflug zu beschleunigen.

Allerdings weisen alle diese Startmethoden einige Nachteile auf, insbesondere die hohen Betriebs- und Wartungskosten von Plattformen wie Flugzeugen und die begrenzten Transportmöglichkeiten. Sie können im Allgemeinen nur kleine Raketen starten und verfügen nicht über die Kapazität, in die Umlaufbahn zu gelangen. So verfügt die Pegasus-Rakete beispielsweise in ihrer sonnensynchronen Umlaufbahn in 700 Kilometern Höhe über eine Transportkapazität von knapp über 200 Kilogramm und kann nur kleine Nutzlasten in die Umlaufbahn befördern. Die Startkosten pro Einheit sind höher als bei vielen großen und mittelgroßen bodengestützten Raketen. Daher war der großflächige Einsatz der Pegasus-Rakete und auch nachfolgender luftgestarteter Raketen immer schwierig.

Sobald jedoch supraleitende Materialien für Raumtemperatur verfügbar sind und erfolgreich in der Praxis eingesetzt werden, dürfte in der Geschichte der Weltraumstarts ein neues Kapitel aufgeschlagen werden. Forscher und Ingenieure können sich beispielsweise auf die Prinzipien von Magnetschwebebahnen und elektromagnetischen Katapulten stützen, um ein neuartiges Weltraumstartgerät zu bauen, dessen Struktur einer senkrecht zum Boden verlaufenden Magnetschwebebahnschiene ähnelt.

Zu diesem Zeitpunkt ist die Aufhängungsspule auf dem stehenden Startturm dafür verantwortlich, die Startrichtung der Rakete beizubehalten und zu verhindern, dass die Rakete durch Reibung mit der Schiene einen Widerstand erzeugt. Die Beschleunigungsspule wird der Rakete einen kräftigen Startschub verleihen, der ihr hilft, die bodennahe Höhe mit der dichten Luft so schnell wie möglich zu verlassen. Nachdem die Rakete durch die Startvorrichtung ihre volle Beschleunigung erreicht hat und aus der Troposphäre ausgebrochen ist, wird das Triebwerk der ersten Stufe gezündet, wodurch die Rakete weiter beschleunigt und steigt und schließlich in die Umlaufbahn eintritt.

Im Vergleich zum Luftstart verbraucht diese Startmethode grundsätzlich nur Strom. Da supraleitende Materialien bei Raumtemperatur keine komplexen Kühlsysteme erfordern, kann die Abschussvorrichtung zudem sehr groß dimensioniert werden. Daher ist damit zu rechnen, dass schwerere Nutzlasten in die Umlaufbahn gebracht werden können und die Startkosten pro Einheit erheblich sinken. Es ist wahrscheinlich, dass es zu größeren Raumfahrzeugkombinationen und neuen Formen von Weltraumaktivitäten kommen wird.

Neben dem Bereich der Weltraumstarts bieten supraleitende Materialien bei Raumtemperatur auch breite Anwendungsaussichten in Satelliten, Raumfahrzeugen und anderen Raumfahrzeugen.

So sind beispielsweise bei der Konstruktion von Raumfahrzeugen entsprechende Abschirmmaßnahmen für elektronische Geräte und empfindliche Instrumente erforderlich, um diese vor Störungen durch externe Magnetfelder zu schützen. Supraleiter bei Raumtemperatur sind das perfekte Material für magnetische Abschirmgeräte. Wir müssen lediglich eine Hülle herstellen und darin magnetfeldempfindliche Instrumente und Geräte platzieren, um im Inneren einen stabilen Magnetfeldabschirmbereich zu bilden.

Wenn darüber hinaus bei der Herstellung von Drähten, die herkömmliche Metalldrähte im Inneren von Raumfahrzeugen ersetzen, supraleitende Materialien verwendet werden, die bei Raumtemperatur verwendet werden, ist nicht nur mit einer Reduzierung des Stromverbrauchs zu rechnen, sondern auch mit einer deutlichen Reduzierung der Wärmeentwicklung. Dies würde die Konstruktion der Stromversorgungs- und Temperaturkontrollsysteme vereinfachen und so zu einer höheren Leistungsfähigkeit und leichteren Struktur neuer Satelliten beitragen.

Kurz gesagt: Die Supraleitungstechnologie hat in nur wenigen Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht und der Menschheit neue Möglichkeiten eröffnet, ein besseres Leben anzustreben und die unbekannte Welt zu erkunden. Forscher vertiefen ihre Forschungen und Experimente zur Supraleitung kontinuierlich und erforschen und hinterfragen unermüdlich die Grenzen der Materie. Als vorrangiges Anwendungsfeld für viele Spitzentechnologien wird die Luft- und Raumfahrt hier sicherlich glänzen, sobald die Supraleitung bei Raumtemperatur in Zukunft Realität wird und den Menschen dabei hilft, den weiten Himmel weiter zu erforschen und zu erschließen. (Autor: Wanmi Qingkong Xiangyu Bildquelle: Experte für die Überprüfung von Science-Fiction-Filmen und Fernsehwerken: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)