Was ist ein Umgebungssupraleiter und warum ist LK so beliebt?

Die Supraleitung hat einen Moment Zeit. Das Konzept, Techniken für den widerstandsfreien Stromtransport zu entwickeln, ist verlockend, weil es das Potenzial hat, die Energiewirtschaft zu revolutionieren, Abfall zu reduzieren, Rechnungen zu senken und zur Eindämmung der globalen Erwärmung beizutragen. Aber Supraleitung wurde bisher nur bei extremen Temperaturen – wie -269 °C (-452 °F) – oder Druck erreicht, was ihren Einsatz auf eine Handvoll teurer Anwendungen wie Krankenhaus-MRT-Scanner beschränkt. Aus diesem Grund erregten in diesem Jahr Meldungen über einen Durchbruch bei der Entdeckung der ersten Raumtemperatur-Supraleitertechnologie weltweite Aufmerksamkeit und lösten einen Anstieg bestimmter koreanischer und chinesischer Aktien aus. Einige Wissenschaftler äußerten ernsthafte Zweifel am Supraleiter LK-99, aber aufgrund seines Potenzials, das Leben, wie wir es kennen, zu verändern, ist das Konzept zu einer Obsession für alle geworden, von angesehenen Forschern bis hin zu Twitch-Streamern und TikTok-Prominenten.

1. Was ist ein Supraleiter?

Die temperamentvollen Eigenschaften der Elektrizität haben Menschen wie Benjamin Franklin und Nicola Tesla fasziniert. Unter normalen Umständen ist es schwierig, Strom von einem Ort zum anderen zu transportieren, da die Elektronen aneinanderstoßen, wodurch Wärme entsteht und die Leistung verringert wird. Supraleiter sind Materialien, die unter bestimmten Bedingungen Elektrizität nahezu widerstandslos leiten. Derzeit ist bekannt, dass sie solche Eigenschaften nur unter extremer Abkühlung oder extremem Druck zeigen. Im Jahr 1911 wurde Quecksilber als erstes Material mit dieser Eigenschaft entdeckt. Seitdem wurde festgestellt, dass Metalllegierungen, Keramik und andere Materialien Strom nahezu widerstandslos leiten, allerdings nur, wenn sie unterkühlt sind.

2. Was ist ein Raumtemperatur-Supraleiter und warum ist er wichtig?

Ein bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck herrschender Supraleiter kann Elektrizität ohne Widerstand leiten, ohne dass er auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden muss oder ein enormer Druck erforderlich ist. Die Herstellung und Skalierung dieses Materials könnte den Stromtransport revolutionieren und den Ausstoß von Treibhausgasen reduzieren: Erneuerbare Sonnen- oder Windenergie könnte beispielsweise ohne nennenswerte Verluste über große Entfernungen transportiert werden. Sie könnten die Lebensfähigkeit von allem, was Elektromagnetismus nutzt, drastisch steigern und die Entwicklung eines kommerziell nutzbaren Fusionsreaktors beschleunigen. Die Zeitschrift Science bezeichnete es als „eines der begehrtesten Ziele in der gesamten Materialwissenschaft und der Physik der kondensierten Materie“.

3. Wofür werden Supraleiter derzeit verwendet?

Sie werden zur Herstellung leistungsfähigerer und effizienterer Elektromagnete verwendet, die zur Herstellung von Spulen in einigen Magnetresonanztomographiegeräten (MRT) verwendet werden können, um Ärzten die Untersuchung von Weichgewebe zu ermöglichen. In Japan werden supraleitende Magnete verwendet, um Züge mittels Magnetschwebebahn über Schienen zu heben und so Reibung zu vermeiden. Diese supraleitenden Magnete sind auch von entscheidender Bedeutung für Teilchenbeschleuniger wie den Large Hadron Collider am CERN sowie für die Kernfusionsforschung. Auch Quantencomputer – wie sie von Microsoft Corp. und Google von Alphabet Inc. gebaut werden – basieren auf Supraleitern.

4. Was macht Supraleitung so schwierig?

Viele Forschungen zu Supraleitern konzentrierten sich auf Theorien darüber, was im Inneren von Materialien passiert, wenn sie radikal abgekühlt werden. Kürzlich haben Wissenschaftler mithilfe von Computermodellen mögliche Anordnungen von Atomen und chemischen Eigenschaften von Materialien identifiziert, die Supraleiter erzeugen könnten, die unter verschiedenen Bedingungen funktionieren. Es bleibt jedoch eine immense Anzahl möglicher Kombinationen, die getestet werden müssten.

5. Was ist der neue Anspruch?

In zwei Arbeiten von Materialwissenschaftlern des Quantum Energy Research Center und des Korea Institute of Science and Technology, beide in Seoul, wurde behauptet, „zum ersten Mal auf der Welt“ ein bei Raumtemperatur supraleitendes Material synthetisiert zu haben. Die Verbindung, die sie LK-99 nannten, besteht aus Blei, Phosphor und Sauerstoff. Die Forscher behaupten, die Supraleitung von LK-99 nachgewiesen zu haben, indem sie demonstrierten, wie das Material reagiert, wenn Strom durch es geleitet wird oder wenn es Magnetfeldern ausgesetzt wird, und das alles, ohne das Material zu kühlen oder unter Druck zu setzen. Die Papiere wurden vor der Veröffentlichung geteilt, was bedeutet, dass die Arbeit nicht von Experten begutachtet wurde. Allerdings spornten die Veröffentlichungen Forscher und Labore auf der ganzen Welt dazu an, zu versuchen, die Ergebnisse zu reproduzieren. Mindestens eine Person hat seine Bemühungen live auf Twitch gestreamt.

6. Was sagen andere Wissenschaftler?

Die Nachricht über die Forschung stieß auf eine Mischung aus Aufregung und Skepsis. Zwei unabhängige Forschungsteams, eines in Indien und das andere in China, gaben an, LK-99 nachgebildet zu haben und bestätigten die mit der Originalarbeit übereinstimmende Struktur, fanden jedoch keine Hinweise auf Supraleitung. In einem anderen Labor in China wurde über eine schwebende Probe von LK-99 berichtet, aber auch das beweist nicht unbedingt die Supraleitung. Untersuchungen zu den Eigenschaften von LK-99 durch Sinead Griffin am Lawrence Berkeley National Laboratory ergaben, dass Supraleitung eine Erklärung für die Ergebnisse war, dass aber „eine Fülle anderer Phänomene wie Metallisolatorübergänge, Ladungsdichtewellen“ und andere die Ergebnisse erklären könnten . Das Material scheint zumindest ungewöhnlich zu sein, und die Forscher erforschen seine Eigenschaften weiterhin.

7. Ist dies die erste Behauptung dieser Art?

Nein, die letzte Behauptung zur Herstellung eines Raumtemperatur-Supraleiters erschien im März 2023 in der Zeitschrift Nature. Diese Arbeit stieß auf einige Skepsis, weil ihr Autor in derselben Zeitschrift eine Arbeit aus dem Jahr 2020 veröffentlichte, in der er denselben Durchbruch behauptete, die Nature jedoch 2022 zurückzog Zu anderen Materialien wurden Behauptungen über eine Superleitfähigkeit bei Raumtemperatur aufgestellt, aber diese Behauptungen erforderten entweder enormen Druck oder wurden von anderen Forschern nicht bestätigt.

– Mit Unterstützung von Eamon Akil Farhat und Sarah Frier.

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