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19.07.2017 pte

Eisen lässt sich zum Supraleiter umwandeln

Eine internationale Kooperation des Niels Bohr Instituts mit anderen Forschungsinstituten in Europa und den USA ermöglicht die Erkenntnis der überdurchschnittlichen Leitfähigkeit von Eisen. Das wird durch individuelle Arbeitsweisen von fünf ungebundenen Elektronen ermöglicht.

Flexible Elektronen ermöglichen vielfältige Anwendungsbereiche.

Flexible Elektronen ermöglichen vielfältige Anwendungsbereiche.

© University of Copenhagen

Eisen wurde bis jetzt als schlecht leitfähig eingestuft, da es magnetische Eigenschaften besitzt. Aber wie sich zeigt, haben bestimmte, auf Eisen basierende Materialien gute Leiteigenschaften.

Brian Møller Andersen ist Experte für exotische Phasen bei kondensierter Materie. Dazu gehören Phasen und Zustände, in denen Materialien andere Reaktionen als im Normalzustand zeigen. Andersen ist spezialisiert auf Supraleiter, also Geräte die elektrische Stimuli ohne Widerstand und ohne Energieverlust übertragen. Solche Supraleiter können in einer Vielzahl von Magneten gefunden werden - wie zum Beispiel im subterranen Teilchenbeschleuniger des CERN der Europäischen Organisation für Kernforschung.

Fit für den Alltag
Die Forschungsgruppe möchte Supraleiter für alltägliche Zwecke entwickeln - zum Beispiel die Verbreitung von Supraleitern in der breiten Öffentlichkeit. Dazu muss das Team allerdings erst wirtschaftlich tragbare Lösungen entwickeln. Der Bedarf für solche Übertragungssysteme besteht. Das neue System basiert auf Hochspannungskabeln, die deutlich erkennbaren Widerstand erzeugen. Dadurch gehen zehn Prozent der Energie auf dem Weg vom Kraftwerk zum Endverbraucher verloren.

Trotz mehr als einem Jahrzehnt Forschung wurde kein Supraleiter gefunden, der bei normaler Raumtemperatur funktioniert. Deshalb mussten diese Materialien auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, welcher bei minus 273,15 Grad Celsius liegt. Auch bei den jüngsten Generationen der Supraleiter muss der Kühlungsvorgang zumindest bis minus 100 Grad Celsius durchgeführt werden. Die Kühlung beansprucht aber mehr Energie, als durch das widerstandslose Material eingespart werden kann. An dieser Tatsache hat sich seit der Entdeckung von Supraleitfähigkeit 1911 nichts geändert.

Ein Stapel Eisenplatten
Vor rund acht Jahren hat Hideo Hosono, ein japanischer Forscher des Tokyo Institute of Technology, eine Art Supraleiter entwickelt, mit der er die Aufmerksamkeit vieler Kollegen weltweit auf sich zog. Eisen, ein magnetischer Stoff, galt bei der Suche nach neuen supraleitfähigen Stoffen sehr lange als No-Go, da es magnetische Eigenschaften zeigt. Lange galten Supraleitfähigkeit und Magnetismus als inkompatibel. Hosono hat durch Manipulation eines Eisenderivats einen Vertreter der jüngsten Generation von Supraleitern entwickelt. Das Derivat heiß Achavalit und ist mit Selen angereichertes Eisen.

Im Prinzip hat Hosono eine große Zahl an ultradünnen Eisenplatten übereinander gelegt und sie mit schweren Atomen an einander "geklebt". Das resultierte in einer Brettschicht-Konstruktion, welche bei minus 150 Grad Celsius enorm leitfähige Eigenschaften zeigte. Aber nicht einmal Hosonos Supraleiter sind wirtschaftlich rentabel. Und seit der Veröffentlichung seiner Arbeit bleibt nach wie vor eine Frage offen: Was ermöglicht die verlustfreie Leitfähigkeit in dem Brettschichtsystem und wie kann die Supraleitfähigkeit trotz ihrer Inkompatibilität mit Magnetismus in den Eisenplatten entstehen?

Ungebundene Elektronen
Laut Andersen und seinen Kollegen, welche sich intensiv mit dieser Frage beschäftigen, hängt die Antwort eng mit der Tatsache zusammen, dass die fünf ungebundenen Elektronen in Eisen individuelle physische Eigenschaften und Arbeitsmethoden haben - und zwar welche, die in klassischem Eisen bisher nicht gefunden wurden. Die Existenz dieser Eigenschaften konnte nach einer Reihe von Experimenten der Cornell University bewiesen werden. Andersen und andere Team-Mitglieder haben die Forschungsergebnisse mit exzessiven Rechenprozessen überprüft, um das rätselhafte Phänomen aus einem theoretischen Ansichtspunkt zu verstehen.

"Es ist erkennbar, dass einige der fünf ungebundenen Elektronen besonders intensiv interagieren. Zur gleichen Zeit konnten wir aber sehen, dass diese Elektronen eine ausgeprägte Tendenz zeigen, magnetisch zu werden. Genau diese sind die Elektronen, die Effizienz von Eisen-basierten Supraleitern ermöglichen. Man kann sagen, sie räumen die Spur für den Transport von elektrischen Reizen - und das ohne Widerstand."

Durch diese Entdeckungen haben die Forscher auch das Verständnis der Fähigkeiten von Kupfer erweitert. Kupfer-basierte Supraleiter agieren bei relativ hoher Temperatur mithilfe von starker Elektronenwechselwirkung ebenso supraleitfähig. Andersen zufolge sollte durch diese Erkenntnisse ein breiteres Verständnis von Supraleitfähigkeit bei höheren Temperaturen entstehen. "Und wenn wir das schaffen, könnte die daraus gewonne Information sehr förderlich für zukünftige Bauversuche von neuen, effizienteren Supraleitern sein", meint Andersen.

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