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18.03.1988 - 

Neue Supraleiter könnten die Computertechnik - und einiges mehr - revolutionieren:

Eine Art von Woodstock-Feeling

Bei der Suche nach neuen Supraleitern gelang nach mehr als sieben Jahrzehnten im vergangenen Jahr der große Durchbruch: Zwei Forscher am IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon haben Materialien gefunden, die den elektrischen Strom bei weit höheren Temperaturen widerstandslos weiterleiten als alle bisher bekannten Supraleiter. Diese Entdeckung, letztes Jahr mit dem Nobelpreis für Physik belohnt, könnte beispielsweise in der DV-Technik den Bau der Supercomputer revolutionieren.

Die Vorgeschichte beginnt im IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich, wo die beiden Physiker Karl Alex Müller (59) und Johannes Georg Bednorz (36) um 1983 damit anfingen, metallische Oxide zu synthetisieren und diese exotischen Materialien auf ihre elektrische Leitfähigkeit zu untersuchen. Ihr Ziel war es, Substanzen zu finden, die beim Abkühlen in die Nähe des absoluten Nullpunkts - er liegt bei 0 Kelvin (minus 273,2 Grad Celsius) - den elektrischen Widerstand vollkommen verlieren und damit in den supraleitenden Zustand übergehen.

Das Phänomen der Supraleitung hatte der Holländer Heike Kammerling-Onnes 1911 bei Quecksilber entdeckt. Zu diesem Zweck mußte er das Metall auf 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 269 Grad Celsius) abkühlen. Diese Temperaturen waren aber unpraktikabel und nur mit großem Aufwand zu erreichen. Die Suche nach anderen Substanzen, bei denen der gefragte Effekt bei höheren Temperaturen auftritt, kam in den folgenden Jahrzehnten nur schrittweise voran: 1968 stand die Rekordmarke für Supraleiter noch immer bei 253 Minusgraden; fünf Jahre später hatten sie US-Forscher nochmals um drei Grad nach oben geschraubt, doch dann war erst mal Schluß.

All diesen mühevollen Versuchen war gemeinsam, daß sie mit seltenen Metallverbindungen durchgeführt wurden. Andere Supraleiter konnten sich die Forscher jahrzehntelang schlicht nicht vorstellen.

Schließlich kam Karl Alex Müller, ein unbelasteter Neuling auf diesem Gebiet, auf die ebenso simple wie geniale Idee, die ausgetretenen Pfade zu verlassen und Supraleitung statt bei Metallen bei keramischen Verbindungen von Metallen und Sauerstoff zu suchen. Die sogenannten "Zürcher Oxide", die der Schweizer in dreijähriger Arbeit zusammen mit dem deutschen Materialforscher Bednorz entwickelte, waren die ersten Supraleiter, die die 13jährige, bereits als "ehern" apostrophierte Temperaturbarriere von 23,2 Kelvin (minus 250 Grad Celsius) nach oben durchbrachen und so den Weg in die supraleitende Zukunft zeigten.

Seit das Forschergespann seine Entdeckung in der Heidelberger "Zeitschrift für Physik" publiziert hat, gilt die Supraleitung als eines der "heißesten" Forschungsgebiete der modernen Experimentalphysik - im wahrsten Sinne des Wortes: Der Wettlauf nach Substanzen, die das Phänomen bei immer höheren Temperaturen zeigen, ist voll im Gang, und die Rekordmarken purzeln:

- Im November 1986 gelang es Bednorz, Müller und dem Japaner Takashige, den Rekord auf 35 Kelvin zu treiben.

- Im Dezember meldete ein Team der amerikanischen Bell Laboratories Supraleitung bei 40,2 Kelvin; Physiker aus China schraubten die Grenze auf 48,6 Kelvin.

- Einen Monat später erreichten Forscher der University of Houston unter Leitung des Physikers Paul C. Chu 52,5 Kelvin; Zhao Zhongxian und seine Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking konterten mit 70 Kelvin

- Im März 1987 dann bereits eine erneute Sensation: Chus Gruppe in Houston fand eine Substanz, die den Effekt schon bei 90 Kelvin (minus 183 Grad Celsius) zeigt. Diesen Wert erreichten auch Eberhard Amberger und seine Kollegen vom Institut für anorganische Chemie der Universität München.

- Die höchste Temperaturgrenze, die am New Yorker Kongreß vorgestellt wurde, stammt von einer Arbeitsgruppe um Constantin Politis vom Kernforschungszentrum Karlsruhe: Ihre aus Yttrium, Barium und Kupfer hergestellte Oxid-Keramik kann elektronischen Strom bereits bei 125 Kelvin (minus 148 Grad Celsius) ohne jeglichen Widerstand und damit ohne Verluste leiten.

Kühlung mit billigem Stickstoff

Was die minus 183 Grad Celsius und alle höheren Temperaturen so sensationell macht, ist die Tatsache, daß sie mit dem billigen Kühlmittel Flüssigstickstoff erreicht werden können. Er hat seinen Siedepunkt bei minus 196 Grad. Für alle tieferen Temperaturen muß man das seltene und entsprechend teure Edelgas Helium verwenden, das man mit einem aufwendigen und trickreichen Verfahren verflüssigen und trickreichen Verfahren verflüssigen und so auf Temperaturen um vier Grad Kelvin bringen kann.

Billiger Stickstoff statt teures Helium - das bedeutet, daß die Supraleitung nicht nur als physikalisches Phänomen, sondern auch kommerziell interessant wird. Die Liste der möglichen Anwendungen ist lang und eindrucksvoll: Sie geht von verlustfreien Stromnetzen und Energiespeichern über supraleitende Magnete, Generatoren und Elektromotoren bis zu neuartigen Supercomputern, die dank supraleitenden Schaltelementen noch kleiner und leistungsfähiger sein werden.

Magnete aus supraleitenden Drähten gibt es bereits seit Jahren - in herkömmlicher Technik. Sie kommen in großen Teilchenbeschleunigern zum Einsatz (zum Beispiel im "Tevatron" am Fermilab bei Chicago) oder in sogenannten Kernspin-Tomographen, die Medizinern den Blick ins Innere des menschlichen Körpers offenbaren. Die Vorteile bei diesen Spezialanwendungen sind derart groß, daß sich sogar die teure Heliumkühlung lohnt.

Mit den neuen, stickstoffgekühlten Supraleitern würde sich der Bau solcher Apparaturen erst recht auszahlen. Bei vielen anderen Anwendungen wie Elektromotoren oder Generatoren wäre die Rentabilitätsschwelle erreicht.

Schwierig, aber nicht unlösbar

Was dem großtechnischen Einsatz der Hochtemperatur-Supraleiter vorläufig noch im Weg steht, ist die Handhabung des Materials. Es genügt nämlich nicht, Substanzen herzustellen, die supraleitend sind; man muß diese zu Drähten verarbeiten können, die hohe Ströme aushalten und auch in Gegenwart hoher Magnetfeldern funktionsfähig bleiben.

Beides ist schwierig, aber nicht unlösbar. "Die Probleme mit der Sprödigkeit des Materials gab es bei der Magnetbandtechnik auch" , erklärte Karl Alex Müller auf Anfrage der "Faszination " . " Es dauert zwar sechs Jahre, bis sie gelöst waren, aber jetzt hat man das im Griff. Ich sehe keinen Grund, weshalb das bei den Supraleitern unüberwindbare Schwierigkeiten bereiten sollte; wir müssen einfach ein geeignetes Trägermaterial finden."

Tatsächlich erreichten die Forscher nicht nur bei den Temperaturen laufend neue Höchstwerte, sondern auch bei der Stromdichte, die die neuen Supraleiter aushalten. Im Oktober 87 stand der Rekord bei rund 3 Millionen Ampére pro Quadratzentimeter. Herkömmliche Supraleiter halten nur etwa ein Zehntel aus.

Am schnellsten dürften die keramischen Supraleiter wohl in der Computertechnik zur Anwendung kommen, denn in der High-Tech-Elektronik sind die genannten Probleme kaum vorhanden: Bei einem Chip ist die Sprödigkeit des Leitermaterials kein Nachteil. Auch die Spannungen und Ströme sind hier gering, und es treten nur sehr schwache Magnetfelder auf.

Was man mit Supraleitung in der Computertechnik erreicht, sind sogenannte Josephson-Elemente: extrem schnelle Schalter, die auf einem Effekt beruhen, den der britische Phyisker Brian David Josephson 1962 aufgrund theoretischer Überlegungen vorhergesagt hatte. Messungen haben den Josephson-Effekt später exakt bestätigt: Er kommt dadurch zustande, daß Elektronenpaare die Isolierschicht zwischen zwei Supraleitern "durchtunneln". Das Durchtunneln läßt sich mit Steuerimpulsen manipulieren, so daß man den Strom ein- und ausschalten kann.

Erst totgesagt, dann auferstanden

In herkömmlicher Technik fabrizierte Prototypen von Josephson-Elementen gibt es bereits seit Jahren. Aber je länger und intensiver sich die Forscher damit beschäftigten - allein bei IBM arbeiteten anfangs der achtziger Jahre mehr als 100 Forscher an einem solchen Projekt - , desto mehr kamen sie zur Überzeugung, daß die erforderlichen Tiefsttemperaturen die theoretisch so vielversprechende Sache unpraktikabel und vor allem sehr unwirtschaftlich machen.

Fazit: Firmen, die sich jahrelang mit der Josephson-Technik abgemüht hatten (neben IBM auch Sperry und die Bell-Telefongesellschaft), reduzierten eine nach der andern ihre Anstrengungen oder stellten die Projekte gänzlich ein: Andere Wege zu leistungsfähigeren Supercomputern schienen ihnen gangbarer und vor allem rentabler zu sein.

Mit der Rüschlikoner Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung präsentiert sich die Situation aber wieder völlig neu: Die bereits totgeglaubte Idee vom Josephson-Computer ist auferstanden und in der Branche zu einer ganz heißen Sache avanciert.

Der supraleitende Computerchip in Sicht

Erste Erfolge sind denn auch schon da: Anfang Mai 1987 berichtete IBM, ihren Forschern im Thomas-J.Watson-Labor im amerikanischen Yorktown Heights sei es gelungen supraleitende Schaltelemente herzustellen, die mit Stickstoffkühlung funktionierten und daher auch von technischer und wirtschaftlicher Bedeutung seien. Damit, so hieß es, sei dem Unternehmen ein entscheidender Schritt zur Entwicklung von supraleitenden Computerchips gelungen.

Erfolgsmeldungen kommen auch aus anderen Anwendungsgebieten: So haben japanische Firmen und das Argonne National Laboratory in Illinois berichtet, es sei ihnen gelungen mit den neuen Supraleitern flexible Drähte herzustellen. Nach einem Bericht der "Zeit" soll Roger Poeppel vom Argonne Lab voller Begeisterung von seinem Produkt schwärmen: "Der Draht könnte in Fusionsreaktoren verwendet werden, Kernspin-Tomographen verbessern und so die gefährlichen Röntgenstrahlen für die medizinische Diagnose entbehrlich machen, schnelle Magnetbahnen über den Schienen schweben lassen und als supereffiziente Überlandleitungen elektrische Energie über Hunderte oder Tausende von Kilometern praktisch verlustlos in Haushalte oder industrielle Unternehmungen transportieren."

Steckt mehr dahinter als warme Luft

Das mag nun zwar etwas übertrieben und euphorisch tönen, aber Tatsache ist, daß Müller und Bednorz mit ihrer Entdeckung den Startschuß zu einem Wettlauf auslösten, wie ihn die Physik in ihrer langen Geschichte selten erlebt hat.

Wenn man dann auch noch die Resultate sieht - sie folgen nun schon seit Monaten praktisch Schlag auf Schlag, und ein Ende ist nicht abzusehen - so begreift man auch als Laie bald, daß dahinter sehr viel mehr stecken muß, als bloß warme Luft: Was Wunder also, wenn die Physiker vor lauter Begeisterung plötzlich eine Art von Woodstock-Feeling packt!

Zürcher Oxide sind seltene Ausnahmen

Oxide sind Sauerstoffverbindungen. Ein bekanntes Beispiel ist Eisenoxid, das wir im Volksmund schlicht "Rost" nennen. Damit kann man ohne weiteres Trägermaterialien beschichten: Tonbänder und Disketten entstehen so.

Die meisten Oxide leiten elektrischen Strom nicht oder nur schlecht. Eine seltene Ausnahme bilden die Misch-Oxide, die die IBM-Forscher Müller und Bednorz zum ersten Mal synthetisiert haben. Durch Variieren der Mischung - sie enthält unter anderem Übergangsmetalle wie Nickel oder Kupfer - versuchen die Forscher gegenwärtig weltweit, Substanzen zu finden, die bei immer höheren Temperaturen supraleiten.

Supraleitende Supercomputer

Die Idee, Computer mit supraleitenden Schaltern auszurüsten, geht auf die späten siebziger Jahre zurück, als die Entwickler moderner Supercomputer beim Einsatz herkömmlicher Chip-Technik allmählich an die physikalischen Grenzen des Machbaren stießen.

Das Nonplusultra der Supercomputer war damals der Cray-1. Seine Schaltelemente waren die schnellsten je gebauten. aber sie brauchten sehr viel Strom und produzierten eine enorme Hitze. so daß die Maschine nur funktionstüchtig war. wenn die empfindlichen Bauelemente laufend mit Freon-Gas gekühlt wurden.

Viel mehr Leistung läßt sich mit dieser Schalttechnik aus physikalischen Gründen nicht herausholen: Elektrische Signale können sich höchstens mit Lichtgeschwindigkeit (300 000 Kilometer pro Sekunde) fortbewegen. Um Tempo zu gewinnen, bleibt den Ingenieuren nichts anderes übrig, als die Abstände im Computer möglichst klein zu halten. Das Zusammenrücken der Schalter vergrößert aber die Hitzeprobleme.

Eine Möglichkeit, diese Schwierigkeiten zu überwinden. zeigt sich mit supraleitenden Schaltern. Diese sogenannten Josephson-Elemente stellen normale Transistoren nicht nur in puncto Geschwindigkeit total in den Schatten - sie sind bis zu 1000mal schneller - sondern auch deshalb, weil die Hitzeprobleme, die bei herkömmlichen Halbleiterbausteinen auftreten, entfallen. In einem Josephson-Computer kann man die Schaltkreise extrem eng aneinanderrücken, so daß die Impulse des Rechners nur noch minimale Wege zurücklegen müssen. Das bringt neben den schnelleren Schaltern einen zusätzlichen beträchtlichen Zeitgewinn.