Energieeinsparung ohne Verlust? Ist Südkoreas Entdeckung der „Supraleitung bei Raumtemperatur“ diesmal zuverlässig?

Ein Team südkoreanischer Physiker hat kürzlich zwei Artikel auf die Preprint-Website arXiv hochgeladen, in denen sie behaupten, den ersten Supraleiter bei Raumtemperatur und Normaldruck entdeckt zu haben.

In dem Artikel wird behauptet, dass sich ein modifizierter Blei-Apatit (im Artikel als LK-99 bezeichnet) unter normalen Druckbedingungen unter 127 °C wie ein Supraleiter verhalten kann.

Schon unmittelbar nach der Veröffentlichung löste das Papier im Internet heftige Diskussionen aus.

Screenshot des Papers auf arXiv Bildquelle: Referenz [1]

Wenn Sie diese Neuigkeiten sehen, werden Sie sich sicherlich folgende Frage stellen: Wie kann es wieder zu Supraleitung bei Raumtemperatur kommen? Warum streiten sie schon wieder? Und warum kommt es Ihnen bekannt vor?

Zu lang zum Lesen

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, bei dem der Widerstand eines Materials bei einer bestimmten Temperatur Null wird;

Von der Anwendung von Supraleitern werden große Veränderungen in Wissenschaft und Technik erwartet, allerdings ist die Anwendung aufgrund der niedrigen supraleitenden Sprungtemperatur begrenzt.

Supraleiter bei Raumtemperatur sind der ultimative Traum der Supraleitungsforscher;

Das koreanische Papier, das die öffentliche Meinung aufwirbelte, hat das Peer-Review-Verfahren noch nicht bestanden. Wir müssen hinsichtlich der in der Abhandlung behaupteten Ergebnisse vorsichtig sein und es bedarf weiterer experimenteller Überprüfungen.

Was ist Supraleitung?

In der Physik ist Supraleitung ein Phänomen, bei dem der Widerstand eines Materials Null wird, wenn die Temperatur unter einen bestimmten Wert fällt. Das Material nach der Umwandlung wird als Supraleiter bezeichnet.

In Schulbüchern für die Mittelstufe wird erwähnt, dass sich in einem Stromkreis die Ladungen in den Drähten wie Läufer bewegen, wenn sie durch Spannung angetrieben werden, und so einen elektrischen Strom bilden, der Widerstand des Leiters ihre Bewegung jedoch behindert.

Wenn der Schaltkreis aus einem Supraleiter besteht, können die Ladungen im Schaltkreis frei fließen und der Strom fließt weiter. In einer Schleife aus supraleitendem Blei kann der Strom über Monate hinweg fließen, ohne dass Anzeichen einer Abschwächung auftreten.

Die Supraleitung wurde 1911 von Onnes entdeckt

Bildquelle: Offizielle Website des Nobelpreises

Supraleiter haben nicht nur keinen elektrischen Widerstand, sondern auch eine weitere exotische Eigenschaft: den perfekten Diamagnetismus. Nachdem das Material in einen Supraleiter umgewandelt wurde, ist es, als würde ein Mönch eine goldene Glocke gießen. Das Magnetfeld im Körper wird fast den gesamten magnetischen Fluss „abstoßen“ und die magnetischen Kraftlinien können den Supraleiter nicht durchdringen.

Dieses Phänomen ist auch als Meissner-Effekt bekannt.

Basierend auf dem vollständigen Diamagnetismus von Supraleitern kann ein interessantes Experiment durchgeführt werden: Platzieren Sie einen Magneten direkt unter dem Supraleiter. Der Magnet erzeugt um sich herum ein Magnetfeld, das Innere des Supraleiters lässt jedoch kein Magnetfeld zu und erzeugt daher ein entgegengesetztes Magnetfeld, das den Magneten abstößt.

Wenn die Abstoßungskraft durch die Schwerkraft des Supraleiters ausgeglichen wird, kann der Supraleiter in der Luft schweben, genau wie in einer Szene aus einem Science-Fiction-Roman.

Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Später kamen die Physiker zu dem Schluss, dass die Frage, ob ein Material ein Supraleiter ist, davon abhängt, ob es sowohl keinen Widerstand als auch völlig antimagnetische Eigenschaften aufweist – beides sind unabdingbare Voraussetzungen.

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften haben Supraleiter die Fantasie der Menschen hinsichtlich ihrer zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten beflügelt. Zum Beispiel:

Widerstandslose Schaltkreise weisen nahezu keinen Wärmeverlust auf. Durch die Verwendung von Supraleitermaterialien für die Stromübertragung über große Entfernungen und mit hoher Kapazität kann die Energieverschwendung erheblich reduziert und die Energieeffizienz verbessert werden.

Durch den Einsatz supraleitender Drähte in Generatoren und Motoren lassen sich Stromstärke und Ausgangsleistung deutlich steigern.

Durch die Verwendung von Supraleitern zur Herstellung von Verbindungen für sehr große integrierte Schaltkreise können Probleme der Wärmeableitung gelöst und die Rechengeschwindigkeit erhöht werden.

Die praktische Anwendung von Supraleitern birgt das Potenzial, enorme und tiefgreifende Veränderungen in Wissenschaft und Technologie herbeizuführen.

Copyright-Bilder in der Galerie. Der Nachdruck und die Verwendung können zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen.

Leider sind die Ideale zwar vielfältig, die Realität jedoch sehr dürftig. Bislang konzentrieren sich die praktischen Anwendungen von Supraleitern hauptsächlich auf bestimmte Szenarien wie Teilchenbeschleuniger, Magnetschwebetechnik und supraleitende Quanteninterferometer. Im Bereich der Energietechnik, insbesondere bei der mit Spannung erwarteten Stromübertragung über große Entfernungen mittels supraleitender Leitungen, ist man von einer großflächigen Anwendung noch weit entfernt.

Was schränkt die großflächige Anwendung von Supraleitern ein? Es gibt nur eine Grundursache: die Temperatur.

Hochtemperatur-Supraleiter

Die Temperatur, bei der ein Material zum Supraleiter wird, wird als supraleitende kritische Temperatur (Tc) bezeichnet. Nur unterhalb dieses Tc kann der Supraleiter seine supraleitenden Eigenschaften beibehalten.

Allerdings ist die Tc der meisten Materialien sehr niedrig, grundsätzlich unter -220 °C, und erfordert die Verwendung von flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium, um eine Umgebung mit niedriger Temperatur aufrechtzuerhalten.

Stellen Sie sich vor, Sie müssten so hart daran arbeiten, eine mehrere Hundert Kilometer lange supraleitende Übertragungsleitung zu bauen, die dann ständig durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff gekühlt werden muss. Wie teuer das wäre!

Um Supraleitern eine breitere Anwendung zu ermöglichen, müssen daher Materialien mit höherer Tc gefunden werden, vorzugsweise solche, die ihre supraleitenden Eigenschaften bei Raumtemperatur (etwa 25 °C) beibehalten können.

Seit der Entdeckung der Supraleitung haben Physiker nie aufgehört, nach Hochtemperatur-Supraleitern zu suchen, aber die Suche war immer schwierig.

In den ersten 70 Jahren nach der Entdeckung der Supraleitung war es selbst unter -240 °C schwierig, die Obergrenze von Tc zu durchbrechen. Glücklicherweise entdeckten Physiker später Supraleiter mit einer Temperatur von über -173 °C. Der aktuelle Rekordhalter für die höchste kritische Temperatur von Supraleitern ist Schwefelwasserstoff unter 1,5 Millionen Atmosphären Druck mit einem Tc von etwa -73 °C, was immer noch ein Stück von der idealen Raumtemperatur entfernt ist. Aufgrund der hohen Druckverhältnisse gestaltet sich die Anwendung in der Praxis zudem schwierig.

Südkoreas „Supraleitung bei Raumtemperatur“

Wenn Sie sich angesichts dessen noch an den Inhalt am Anfang erinnern, werden Sie feststellen, wie schockierend das von diesem koreanischen Team veröffentlichte Papier ist – sie behaupteten, einen Supraleiter mit einem Tc von etwa 127 °C unter Normaldruck entdeckt zu haben, der Tc nicht nur auf Raumtemperatur bringt, sondern es auch direkt um 200 Grad erhöht!

Dem Papier zufolge kombinierten sie verschiedene Materialien, die Blei, Kupfer und Phosphor enthielten, und erhitzten sie separat, um einen mit Kupfer dotierten Blei-Apatit-Kristall herzustellen, den sie LK-99 nannten.

Das im Artikel bereitgestellte Foto von LK-99 stammt aus: Referenz [1]

Anschließend haben sie die physikalischen Eigenschaften von LK-99 gemessen.

Den von ihnen vorgelegten Versuchsergebnissen zufolge ist die Spannung bei Stromzufuhr zu LK-99 unter 127 °C innerhalb eines bestimmten Strombereichs praktisch Null und weist damit die Eigenschaft eines Nullwiderstands auf.

In der Abhandlung wird behauptet, dass das Phänomen des Nullwiderstands verschwindet, wenn Temperatur, Stromstärke und Magnetfeld bestimmte kritische Werte erreichen, was mit den Eigenschaften von Supraleitern übereinstimmt.

Vor Erreichen des kritischen Stroms tendiert die Spannung von LK-99 gegen Null.

Zeigt Nullwiderstand Bildquelle: Referenz [1]

Neben dem Nullwiderstand ist der vollständige Diamagnetismus eine weitere wichtige Eigenschaft von Supraleitern.

Als Reaktion darauf stellte das Team experimentelle Datendiagramme zur Verfügung und veröffentlichte eine Videodemonstration online. Im Video wird bei Raumtemperatur und Normaldruck ein kleines Stück einer LK-99-Probe auf einen Magneten gelegt, wobei sich ein Ende in der Nähe des Magneten befindet und das andere Ende spontan ansteigt, als ob es einer Art abstoßender Kraft ausgesetzt wäre.

Video des Paper-Teams zur Demonstration des Diamagnetismus der Probe

Videoquelle: Referenz [1]

Allerdings ist der Auftrieb im Video nicht vollständig am Magneten aufgehängt wie der Meissner-Effekt vieler Supraleiter. Tatsächlich stoßen auch einige stark antimagnetische Materialien, wie etwa ferromagnetische Pulverkompakte, Magnete in starken Magnetfeldern ab, was zu einem ähnlichen Hebeeffekt führt, wie im Video gezeigt.

Daher kann dieses Video allein nicht beweisen, dass LK-99 über vollständig antimagnetische Eigenschaften wie ein Supraleiter verfügt.

Das an der Studie beteiligte Team ist jedoch der Ansicht, dass ihre Versuchsreihe bestätigt hat, dass LK-99 bei Raumtemperatur und Normaldruck ein Supraleiter ist.

Sie lieferten auch eine theoretische Erklärung. Ihrer Ansicht nach schrumpfte das Volumen leicht, wenn einige der Bleiionen im Bleiapatit durch Kupferionen ersetzt würden, wodurch sich die Materialstruktur verformte. Anschließend würde an der inneren Schnittstelle ein supraleitender Quantentopf entstehen, wodurch das Phänomen der Supraleitung ausgelöst würde.

Der Artikel versucht, das Prinzip der LK-99-Supraleitung bei Raumtemperatur aus struktureller Sicht zu erklären.

Bildquelle: Referenz [2]

Allerdings unterscheidet sich die Struktur von LK-99 erheblich von den zuvor entdeckten herkömmlichen Hochtemperatur-Supraleitern, und die theoretische Erklärung, die sie lieferten, ist vorerst nur eine Vermutung.

Die Geschichte vom Jungen, der Wolf schrie

Möglicherweise haben Sie beim Thema Supraleitung bei Raumtemperatur ein Déjà-vu-Gefühl, wahrscheinlich weil es erst im März dieses Jahres einen anderen „Blockbuster“ zum Thema Supraleitung bei Raumtemperatur gab, der in der Öffentlichkeit für ziemliches Aufsehen sorgte.

Damals verkündeten der Physiker Ranga Dias von der Universität Rochester und sein Team auf der Tagung der American Physical Society, dass sie bei einem Druck von 1 GPa (ungefähr 10.000 Atmosphären) Supraleitung in Materialien im System Lutetium-Stickstoff-Wasserstoff bei Raumtemperatur (ungefähr 21 °C) erreicht hätten.

Ranga Dias, Universität Rochester

Bildnachweis: University of Rochester

Doch nur eine Woche nachdem Dias seine Forschungsergebnisse veröffentlicht hatte, veröffentlichten mehrere Forscherteams Arbeiten, in denen sie erklärten, dass bei wiederholten Experimenten mit Lutetiumhydridverbindungen keine Supraleitung festgestellt worden sei.

Obwohl Dias darauf beharrte, dass seine experimentellen Ergebnisse wahr und glaubwürdig seien, wurden seine in Nature und Physics Review Letters veröffentlichten Artikel wegen Betrugsverdachts einer nach dem anderen zurückgezogen, und auch das von ihm vorgeschlagene supraleitende Material bei Raumtemperatur wurde weithin als unzureichendes Beweismaterial in Frage gestellt.

Die Widerstandskurve des Lutetium-Wasserstoff-Stickstoff-Materials ändert sich mit der Temperatur.

Bei Temperaturen unter 2K wurde kein supraleitender Übergang gefunden. Bildquelle: Referenz [3]

Verglichen mit Dias‘ „Entdeckung“ im März dieses Jahres ist die Supraleitung bei 127 °C unter Normaldruck in der Arbeit des koreanischen Teams noch schockierender. Werden sich die „experimentellen Ergebnisse“ des koreanischen Teams also am Ende als kontroverse akademische Farce erweisen, genau wie Dias‘ Behauptung, die Supraleitung bei Raumtemperatur entdeckt zu haben?

Es ist erwähnenswert, dass Dias‘ Artikel ursprünglich in Nature veröffentlicht wurde. Obwohl das Experiment damals noch nicht wiederholt worden war, hatte es zumindest ein gewisses Maß an Peer-Review durchlaufen. Dieses Mal wurde das Papier des koreanischen Teams auf der Preprint-Website arXiv veröffentlicht, ohne dass es eines Peer-Review-Prozesses bedurfte.

Die Hürde für die Veröffentlichung von Artikeln auf arXiv ist sehr niedrig. Normalerweise laden Forscher einen Entwurf auf arXiv hoch, um die Originalität zu beweisen, bevor sie ihre Arbeiten offiziell veröffentlichen. Die Qualität der Papiere ist oft unterschiedlich und die Qualität kann nur schwer garantiert werden.

Tatsächlich ist es nicht nur Dias. Fast jedes Jahr behaupten Teams, bei Raumtemperatur supraleitende Materialien entdeckt zu haben, doch bislang konnte für keines davon ein stichhaltiger experimenteller Beweis erbracht werden.

In einem 2016 auf arXiv veröffentlichten Artikel wurde die Entdeckung eines Supraleiters bei Raumtemperatur mit einer Sprungtemperatur von 373 K behauptet. Bildquelle: Referenz [4]

Beispielsweise ist auf arXiv noch immer ein im Jahr 2016 hochgeladenes Dokument zu finden, in dem die Entdeckung von Verbindungen mit einer supraleitenden Übergangstemperatur von etwa 373 K (oder 100 °C) behauptet wird. Es enthält außerdem mehrere Diagramme mit experimentellen Daten und Diagramme zum Meissner-Effekt, die genau mit denen in der Arbeit des koreanischen Teams übereinstimmen.

Allerdings wurde in der Abhandlung die Zusammensetzung der Verbindung nicht offengelegt, der Versuchsablauf war nicht präzise und die Echtheit der Suspension auf dem Magneten wurde in Frage gestellt. Am Ende hat es das Peer-Review nicht bestanden, wurde nicht offiziell veröffentlicht und erregte auch keine weitere Aufmerksamkeit.

Dieses Papier aus dem Jahr 2016 enthielt auch experimentelle Diagramme ähnlich dem Meissner-Effekt, deren Echtheit jedoch nicht bewiesen werden konnte.

Bildquelle: Referenz [4]

Im Gegensatz dazu gab das koreanische Team dieses Mal nicht nur die verwendeten Materialien bekannt, sondern stellte in der Arbeit auch detaillierte Methoden zur Materialvorbereitung vor, und die Materialzusammensetzung war relativ einfach und klar. Es ist nicht schwierig, dasselbe Material vorzubereiten, um die Versuchsergebnisse des koreanischen Teams zu überprüfen.

Tatsächlich hat bereits ein Team mit der Vorbereitung der Materialien begonnen und ich bin davon überzeugt, dass bald ein wissenschaftliches Forschungsteam unter denselben Bedingungen experimentelle Ergebnisse vorlegen wird, um zu überprüfen, ob die Ergebnisse des koreanischen Teams richtig sind.

Das Dokument beschreibt den detaillierten Vorbereitungsprozess von LK-99. Bildquelle: Referenz [1]

Ob es sich bei dem LK-99-Material um eine bahnbrechende Entdeckung oder nur um einen weiteren wissenschaftlichen Schnitzer handelt, wird sich möglicherweise in den nächsten Tagen zeigen.

Als Zuschauer sollten wir ruhig warten und die Kugel eine Weile fliegen lassen.

Verweise

[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008

[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037

[3] Ming X, Zhang YJ, Zhu X, et al. Fehlen von Supraleitung nahe Umgebungstemperatur in LuH2±xNy[J]. Nature, 2023: 1-3.

[4] https://arxiv.org/abs/1603.01482

Danksagungen: Dieser Artikel erhielt professionelle Anleitung und Unterstützung vom Forscher Luo Huiqian vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Dafür möchten wir uns ganz besonders bedanken!

Planung und Produktion

Quelle: Guokr

Autor: Central Star

Redakteur: Jin Yufen (Praktikant)