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Gewebte Supraleiter mit neuen Eigenschaften Extrem leichte Supraleiterfolie für die Raumfahrt

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Supraleiter besitzen für industrielle Anwendungen extrem interessante physikalische Eigenschaften. Leider sind herkömmliche Supraleiter spröde und besitzen eine hohe Dichte, was ihre Verarbeitung erschwert. Physiker Universität des Saarlandes haben jetzt eine extrem dünne Supraleiter-Folie entwickelt, die für den Einsatz in der Weltraum- oder Medizintechnik geeignet ist.

Die dünne Supraleiter-Folie macht neue Nano-Beschichtungen etwa für den Weltraum oder die Medizin möglich. Doktorand XianLin Zeng aus dem Team von Uwe Hartmann hat die Folie mitentwickelt.
Die dünne Supraleiter-Folie macht neue Nano-Beschichtungen etwa für den Weltraum oder die Medizin möglich. Doktorand XianLin Zeng aus dem Team von Uwe Hartmann hat die Folie mitentwickelt.
(Bild: Oliver Dietze)

Saarbrücken – Auf den ersten Blick sieht es recht unspektakulär aus, was die Experimentalphysiker der Saar-Uni entwickelt haben. Wie ein verkokeltes schwarzes Stück Papier. Aber das unscheinbare Blatt hat es in sich. Es ist ein „Supraleiter“. So dürfen sich nur Materialien nennen, die eine außergewöhnliche Fähigkeit besitzen: Bei extrem kalten Minus-Graden leiten sie elektrischen Strom widerstandslos und verlustfrei. Die Elektronen fließen ungehindert im vor Kälte erstarrten Atomgitter. Mangels Widerstand überträgt sich auch das Feld eines Magneten wie ein Spiegelbild auf die frostigen Materialien. Bringt man Supraleiter und Magnet zusammen und kühlt alles mit flüssigem Stickstoff, stoßen sie sich ab: Der Magnet schwebt über dem Supraleiter. „Levitation“ nennen das die Forscher, nach dem lateinischen Wort levitas für Leichtigkeit. Der Laie denkt an das schwebende „Hoverboard“ aus der Filmreihe „Zurück in die Zukunft“ – nur fehlende Kälte kann das reibungslose Gleiten noch bremsen.

Übliche Supraleiter: Starr, spröde und hohe Dichte

Heute übliche Supraleiter sind starr, spröde und haben eine hohe Dichte, was sie schwer macht. Die Saarbrücker Experimentalphysiker haben die supraleitenden Eigenschaften in eine dünne, anschmiegsame Folie gepackt. Der Stoff ist ein Gewebe aus Kunststoff-Fasern und Hochtemperatur-supraleitenden Nanodrähten. „Das macht ihn formbar und anpassungsfähig wie Frischhaltefolie. Theoretisch könnte er in jeder Größe hergestellt werden. Hierzu benötigen wir weniger Ressourcen als die üblicherweise für Supraleiter verwendeten Keramiken, was das Geflecht auch günstiger macht“, erklärt Uwe Hartmann, Professor für Nanostrukturforschung und Nanotechnologie an der Saar-Uni.

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Vor allem das geringe Gewicht der Folie ist ein Vorteil. „Mit einer Dichte von 0,05 Gramm pro Kubikzentimeter ist der Stoff sehr leicht, das ist etwa ein Hundertstel eines herkömmlichen Supraleiters. Damit ist er interessant überall dort, wo es auf Gewicht ankommt. Zum Beispiel in der Weltraumtechnik. Auch in der Medizintechnik könnte er zum Einsatz kommen“, erklärt Hartmann. Als neuartige Beschichtung könnte er bei kalten Temperaturen elektromagnetische Felder abschirmen, in flexiblen Kabeln zum Einsatz kommen oder für reibungsfreies Gleiten sorgen.

Dünne Nanodraht-Fäden werden zu einer Folie gesponnen

Um den neuartigen Stoff zu weben, haben die Experimentalphysiker ein Verfahren genutzt, das sich „Elektrospinnen“ nennt und üblicherweise für Kunststoffe (Polymere) zum Einsatz kommt. „Wir pressen dabei einen flüssigen Ausgangsstoff durch eine sehr feine Düse, die unter elektrischer Spannung steht. Heraus kommen Nanodraht-Fäden, die tausendmal dünner sind als ein Haar – etwa 300 Nanometer und weniger. Danach erhitzen wir das Geflecht so, dass Supraleiter in der richtigen Zusammensetzung entstehen. Sie bestehen aus Yttrium- Barium-Kupfer-Oxid oder aus ähnlichen Verbindungen“, erläutert Dr. Michael Koblischka, Wissenschaftler in Hartmanns Arbeitsgruppe.

Die Volkswagen-Stiftung förderte diese Forschung der Experimentalphysiker im Rahmen von „Experiment!“ mit 100.000 Euro. Diese Initiative unterstützt Forschungs-Ideen mit ungewissem Ausgang und hohem Forschungsrisiko. Ein Konzept, das im Falle der Saarbrücker Physiker aufging. Seit September 2016 fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft ein Projekt für drei Jahre mit rund 425.000 Euro, bei dem die Forscher die Eigenschaften der Nanodrähte näher untersuchen.

Publikation:Xian Lin Zeng, Michael R Koblischka, Thomas Karwoth, Thomas Hauet and Uwe Hartmann, Preparation of granular Bi-2212 nanowires by electrospinning, Published 1 February 2017, Superconductor Science and Technology, Volume 30, Number 3 ,doi: 10.1088/1361-6668/aa544a

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