Supra leitfähiges material

Arten von supraleitenden Materialien

Supraleitende Materialien lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen, basierend auf ihrer kritischen Temperatur, bei der sie Supraleitung aufweisen.

• Konventionelle Supraleiter:

  Konventionelle Supraleiter sind Metalle und Metallverbindungen. Sie werden supraleitend, wenn sie auf niedrige Temperaturen gekühlt werden. Dazu gehören Blei, Quecksilber, Niob und andere. Wissenschaftler können die Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Theorie verwenden, um zu erklären, wie diese Materialien funktionieren. Sie werden als konventionelle Supraleiter bezeichnet. Sie haben eine kritische Temperatur unter -240 Grad Celsius oder -400 Grad Fahrenheit.

• Hochtemperatursupraleiter (HTS):

  Hochtemperatursupraleiter funktionieren ganz anders als konventionelle Supraleiter. Sie umfassen komplexe Materialien wie Cuprate und Oxide. Diese supraleitenden Materialien werden bei relativ hohen Temperaturen supraleitend, was unter -135 Grad Celsius oder -211 Grad Fahrenheit liegt. Wissenschaftler verstehen noch nicht vollständig, wie diese Materialien funktionieren. Aber sie werden als Hochtemperatursupraleiter bezeichnet, weil ihre kritischen Temperaturen viel höher sind als die der konventionellen Supraleiter.

• Eisenbasierte Supraleiter:

  Dies ist eine spezielle Gruppe von Hochtemperatursupraleitern. Sie umfassen Materialien mit Eisen, wie z. B. Eisenselenid und Eisenoxypyrrole. Diese Supraleiter haben auch eine hohe kritische Temperatur. Wissenschaftler arbeiten noch daran zu verstehen, wie diese eisenbasierten Supraleiter funktionieren und warum sie bei höheren Temperaturen stromlos leiten können.

Eigenschaften und Funktionen von supraleitenden Materialien

Supraleitende Materialien tragen zur Erzielung von Supraleitung bei und sind im Volksmund als Supraleiter bekannt. Sie werden in zwei Hauptkategorien eingeteilt: Typ-I- und Typ-II-Supraleiter. Im Folgenden sind die Eigenschaften und Funktionen von supraleitenden Materialien aufgeführt.

• Null elektrischer Widerstand

  Supraleiter ermöglichen es Strom, ohne jeglichen Widerstand durch sie hindurchzufließen. Das bedeutet, dass ein elektrischer Strom lange Zeit weiterfließen kann, ohne an Leistung zu verlieren. Diese Eigenschaft wird bei der Herstellung von leistungsstarken Magneten eingesetzt, die Anwendung in MRT-Geräten und Teilchenbeschleunigern finden.

• Meissner-Effekt

  Supraleiter stoßen Magnetfelder ab, sodass diese nicht in sie eindringen. Dadurch schweben Magnete über supraleitenden Materialien. Dieser Effekt ist entscheidend für die Herstellung von Magnetschwebebahnen, die schnell und effizient sind.

• Kritische Temperatur

  Jeder Supraleiter hat eine bestimmte Temperatur, bei der er supraleitend wird. Dies ist als kritische Temperatur bekannt. Bei einigen Materialien kann diese Temperatur sehr niedrig sein, wie z. B. -273 Grad Celsius, was in der Nähe des absoluten Nullpunkts liegt. Andere Materialien haben eine höhere kritische Temperatur, die etwa -135 Grad Celsius beträgt. Dies sind die Hochtemperatursupraleiter. Wenn die Supraleiter unter ihre kritische Temperatur abgekühlt werden, zeigen sie null Widerstand und den Meissner-Effekt.

• Flussverankerung

  Typ-II-Supraleiter ermöglichen es Magnetfeldern, an bestimmten Stellen teilweise durch sie hindurchzudringen. Die Magnetfeldlinien werden an diesen Stellen festgehalten oder verankert. Dies hilft dem Supraleiter, in einer Position zu bleiben, wenn er sich bewegt. Die Flussverankerungseigenschaft ist wichtig für die Herstellung stabiler Magnete, die schwere Lasten tragen können, ohne zu rutschen.

• Nicht-dissipativer Stromfluss

  Supraleitende Materialien ermöglichen es elektrischen Strömen, ohne Energieverlust zu fließen. Dieser nicht-dissipative Stromfluss ist nicht nur eine Eigenschaft, sondern auch ein grundlegendes Merkmal von Supraleitern. Er ist entscheidend für die Herstellung von Stromkreisen, die Energie über lange Strecken ohne Verlust übertragen können. Dies kann ein Game-Changer bei der Energieverteilung sein.

Szenarien für supraleitende Materialien

Supraleiter haben eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Industrien. Sie werden zur Herstellung von leistungsstarken Magneten, zur Reduzierung von Energieverlusten bei der Energieübertragung und zur Verbesserung der Effizienz von elektronischen Geräten eingesetzt. Hier sind einige gängige Anwendungen von Supraleitern:

• Magnetresonanztomographie (MRT)-Geräte: MRT-Geräte werden in Krankenhäusern und Gesundheitseinrichtungen verwendet, um Bilder der inneren Organe des Körpers zu erstellen. Sie verwenden Supraleiter, um starke Magnetfelder zu erzeugen. Die Magnetfelder helfen, Wasserstoffatome im Körper auszurichten. Sie erzeugen Signale, die in Bilder umgewandelt werden. Die supraleitenden Magnete werden in MRT-Geräten bevorzugt, da sie hohe Magnetfelder erzeugen. Sie benötigen geringe Mengen an flüssigem Helium zum Kühlen.
• Teilchenbeschleuniger: Supraleiter werden in Teilchenbeschleunigern verwendet, um Hochfrequenzkavitäten zu erzeugen. Die Kavitäten beschleunigen geladene Teilchen wie Protonen und Elektronen. Supraleitende Teilchenbeschleuniger benötigen weniger Leistung und Platz als herkömmliche Beschleuniger, die normalleitende Kavitäten verwenden.
• Magnetschwebebahnen: Magnetschwebebahnen (Maglev) verwenden Supraleiter und starke Magnete. Die Magnete stoßen sich gegenseitig ab, und die Züge werden über den Gleisen angehoben. Dadurch können sich die Züge reibungslos bewegen, ohne Reibung. So kann beispielsweise der Magnetschwebebahn von Shanghai innerhalb von fünf Minuten eine Geschwindigkeit von 431 Kilometern pro Stunde erreichen.
• Quantencomputer: Supraleiter sind wichtige Komponenten bei der Entwicklung von Quantencomputern. Quantenbits (Qubits) werden unter Verwendung supraleitender Materialien gebildet. Sie können in mehreren Zuständen gleichzeitig existieren. Dies ermöglicht es Quantencomputern, komplexe Berechnungen schneller als klassische Computer durchzuführen.
• Stromkabel: Supraleitende Stromkabel übertragen Strom über lange Strecken mit minimalem Energieverlust. Das liegt daran, dass sie keinen Widerstand haben, wenn sie auf niedrige Temperaturen gekühlt werden. So kann beispielsweise ein 1 Kilometer langes supraleitendes Kabel genauso viel Strom übertragen wie ein herkömmliches Kupfer- oder Aluminiumkabel, während es weniger Energie verbraucht. Supraleitende Stromkabel werden auch in städtischen Gebieten eingesetzt, wo es nur begrenzten Platz für Übertragungsleitungen gibt.
• Kompakter Fusionsreaktor: Supraleiter werden in Fusionsreaktoren verwendet, um starke Magnetfelder zu erzeugen, die heißes Plasma einschließen. Das Plasma ist ein Gas, das aus Wasserstoffisotopen wie Deuterium und Tritium gebildet wird. Die Magnetfelder ermöglichen kontrollierte Kernfusionsreaktionen, die potenziell große Mengen an sauberer Energie erzeugen können.
• Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES): Diese Systeme speichern Energie im Magnetfeld einer supraleitenden Schleife. Die gespeicherte Energie kann schnell freigesetzt werden, um bei Stromausfällen Notstrom zu liefern. Sie kann auch verwendet werden, um das Stromnetz bei Schwankungen der Stromversorgung und -nachfrage zu stabilisieren.

So wählen Sie ein supraleitendes Material aus

Man kann ein supraleitendes Material basierend auf verschiedenen Anwendungen auswählen. Wenn man beispielsweise nach einem Supraleiter sucht, der zur Herstellung von leistungsstarken Magneten verwendet werden soll, kann man sich für YBCO oder BSCCO entscheiden. Diese Supraleiter können bei Temperaturen arbeiten, die mit flüssigem Stickstoff erreicht werden können.

Wenn der Supraleiter zur Herstellung eines MRT-Geräts verwendet werden soll, kann der Benutzer Niob wählen. Es macht supraleitende Magnete, die stabil sind und eine hohe kritische Magnetfeldstärke haben. Dies macht die resultierenden Magnete leistungsstark.

Bei der Auswahl eines Supraleiters sollten Sie die Anwendung und die Betriebsbedingungen des Supraleiters berücksichtigen. Ein Supraleiter, der in Weltraumanwendungen eingesetzt werden soll, muss leicht sein und auch bei niedrigen Temperaturen gut funktionieren. Ein Supraleiter, der in der Hochenergiephysik eingesetzt werden soll, muss hingegen bei hohen Temperaturen und im Vakuum funktionieren.

Die Integration fortschrittlicher Fertigungstechnologien in die Produktion von Supraleitern erzeugt Materialien mit überragenden Leistungsmerkmalen. Technologien wie chemische Gasphasenabscheidung und gepulste Laserabscheidung ermöglichen die Herstellung von Hochtemperatursupraleitern, die in einem größeren Bereich von Bedingungen betrieben werden können.

Wenn Sie ein supraleitendes Material zum Verkauf auswählen, sollten Sie die kritische Temperatur des Materials berücksichtigen. Dies ist die Temperatur, bei der das Material supraleitend wird. Wählen Sie Materialien mit einer hohen kritischen Temperatur. Solche Materialien sind praktischer und können in Anwendungen wie der Herstellung von Stromübertragungskabeln oder supraleitenden Qubits verwendet werden.

Berücksichtigen Sie auch die kritische Stromdichte des Materials. Dies ist die maximale Stromdichte, die durch den Supraleiter fließen kann, ohne dass resistiver Wärme erzeugt wird. Wählen Sie Materialien mit einer hohen kritischen Stromdichte. Solche Materialien können mehr Strom leiten und sind ideal für Anwendungen wie die Herstellung von supraleitenden Magneten.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der zu berücksichtigen ist, ist die kritische Magnetfeldstärke des Materials. Dies ist die maximale Magnetfeldstärke, die auf den Supraleiter angewendet werden kann, ohne seine Supraleitung zu zerstören. Wählen Sie Materialien mit einer hohen kritischen Magnetfeldstärke. Solche Materialien können in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen sie einer hohen Magnetfeldstärke ausgesetzt sind.

Supraleitendes Material: Fragen und Antworten

F1: Welche Gefahren bestehen bei der Verwendung von supraleitenden Materialien?

A1: Es gibt keine wirklichen Gefahren bei der Verwendung von supraleitenden Materialien. Es gibt jedoch einige tiefgreifende Herausforderungen bei ihrer Verwendung. So kann ein Supraleiter beispielsweise Strom leiten, ohne Energie zu verlieren. Leider funktioniert dieser Draht nur bei sehr niedrigen Temperaturen, was teuer und schwer zu erreichen sein kann. Außerdem stoßen Supraleiter Magnete ab, was zu einem reibungslosen Magnetgleiten führt. Auch wenn es cool klingt, ist das Gleiten nicht sicher für den Einsatz in realen Anwendungen.

F2: Welche Einsatzmöglichkeiten bieten supraleitende Materialien zum Verkauf?

A2: Wie bereits erwähnt, können supraleitende Materialien Strom leiten, ohne Energie zu verlieren. Daher haben sie zahlreiche potenzielle Anwendungen, darunter: Energiespeicherung, verlustfreie Stromübertragung, Magnetschwebebahn, Quantencomputer und leistungsstarke Elektromagnete.

F3: Müssen supraleitende Materialien kalt sein?

A3: Ja, Supraleiter müssen kalt sein, um zu funktionieren. Wie bereits erwähnt, funktionieren sie nur bei niedrigen Temperaturen. Allerdings haben die jüngsten Fortschritte in der Supraleitertechnologie Materialien hervorgebracht, die bei Raumtemperatur und -druck supraleitend sein können. Diese sind als Hochtemperatursupraleiter bekannt.

F4: Können Supraleiter für die Energiespeicherung verwendet werden?

A4: Ja, Supraleiter können für die Energiespeicherung verwendet werden. Supraleitende magnetische Energiespeichersysteme (SMES) speichern Energie im Magnetfeld einer supraleitenden Spule. Die gespeicherte Energie kann bei Bedarf schnell und effizient freigesetzt werden.

F5: Werden Supraleiter jemals traditionelle Leiter ersetzen?

A5: Supraleiter könnten in Zukunft traditionelle Leiter ersetzen. Damit dies jedoch geschieht, müssen sie bei Raumtemperatur funktionieren. Derzeit funktionieren sie bei sehr niedrigen Temperaturen, was ihre Verwendung in den meisten Anwendungen unpraktisch macht.