Was sind Supraleiter und wie funktionieren sie?

Strom ohne Verluste

Jedes Kabel, das Sie in eine Steckdose stecken, verschwendet Energie. Elektronen kollidieren beim Fließen mit Atomen und erzeugen Wärme – die subtile Wärme an einem Handy-Ladegerät erinnert daran, wie ineffizient gewöhnliche Leiter sind. Supraleiter sind Materialien, die diese Verschwendung vollständig eliminieren: Unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur sinkt ihr elektrischer Widerstand auf exakt Null. Ein Strom, der in einer supraleitenden Schleife fließt, zirkuliert unbegrenzt, ohne Stromquelle, und verliert kein einziges Elektron an Wärme.

Dies ist keine theoretische Annäherung. Es ist eine messbare physikalische Tatsache, die erstmals 1911 von dem niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes beobachtet wurde, als er Quecksilber auf 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlte und zusah, wie sein Widerstand verschwand. Die Entdeckung brachte ihm einen Nobelpreis ein – und eröffnete eine der längsten Suchen in der modernen Physik.

Cooper-Paare: Das Geheimnis hinter dem Nullwiderstand

Jahrzehntelang verstand niemand, warum der Widerstand verschwand. Die Antwort kam 1957, als John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer die BCS-Theorie – benannt nach ihren Initialen – veröffentlichten und einen zweiten Nobelpreis für Physik gewannen.

In einem gewöhnlichen Metall bewegen sich Elektronen allein und kollidieren ständig mit vibrierenden Atomen im Kristallgitter, wodurch Energie als Wärme gestreut wird. In einem Supraleiter passiert etwas Kontraintuitives: Wenn ein Elektron durch das Gitter wandert, zieht es die positiv geladenen Ionen in seiner Umgebung leicht an und erzeugt so einen flüchtigen Bereich positiver Ladung. Dieser positive Bereich zieht dann ein zweites Elektron an. Die beiden Elektronen werden lose zu dem verbunden, was Physiker ein Cooper-Paar nennen.

Cooper-Paare verhalten sich ganz anders als einzelne Elektronen. Sie kondensieren in einen kollektiven Quantenzustand – eine Supraflüssigkeit –, die als einzelne kohärente Welle und nicht als chaotische Menge durch das Gitter fließt. Da die Welle nicht an einzelnen Atomen streuen kann, ohne das gesamte Kondensat aufzubrechen, wird Widerstand unmöglich.

Der Meissner-Effekt: Schwebende Magnete

Supraleitung hat eine zweite, optisch auffällige Eigenschaft. Wenn ein supraleitendes Material unter seine kritische Temperatur übergeht, verdrängt es alle Magnetfelder aus seinem Inneren – ein Phänomen, das als Meissner-Effekt bezeichnet wird. Platzieren Sie einen kleinen Magneten über einer supraleitenden Scheibe, und das perfekt verdrängte Feld der Scheibe drückt zurück, wodurch der Magnet in der Luft schwebt. Diese magnetische Levitation ist kein Trick; sie ist eine direkte Folge der supraleitenden Physik und das Prinzip hinter Japans SC Maglev-Zug, der Geschwindigkeiten von über 600 km/h erreicht hat.

Wo Supraleiter bereits funktionieren

Obwohl sie extreme Kälte erfordern, sind Supraleiter in Technologien eingebettet, auf die sich Milliarden von Menschen täglich verlassen:

• MRT-Scanner: Weltweit verwenden mehr als 35.000 MRT-Geräte supraleitende Magnete – typischerweise Niob-Titan-Draht, der in flüssiges Helium getaucht ist –, um die starken, stabilen Magnetfelder zu erzeugen, die für hochauflösende Bildgebung erforderlich sind. Ohne Supraleitung wäre ein MRT-Gerät weder erschwinglich noch praktikabel.
• Teilchenbeschleuniger: Der Large Hadron Collider des CERN verwendet 1.232 supraleitende Dipolmagnete, die jeweils Felder erzeugen, die über 100.000 Mal stärker sind als das Erdmagnetfeld. Ohne sie müsste der 27 Kilometer lange Ring des LHC 120 Kilometer lang sein, um die gleichen Teilchenenergien zu erreichen.
• Stromkabel: Experimentelle supraleitende Kabel können fünfmal mehr Strom transportieren als herkömmliche Kupferkabel mit dem gleichen Durchmesser, ohne Übertragungsverluste – ein entscheidender Vorteil für dichte städtische Netze.

Der Heilige Gral: Supraleitung bei Raumtemperatur

Die zentrale Herausforderung ist die Temperatur. Konventionelle Supraleiter müssen auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt (−273 °C) gekühlt werden, was eine teure Infrastruktur für flüssiges Helium erfordert. Seit den 1980er Jahren hat eine Klasse von Materialien, die als Cuprate – Kupferoxidkeramiken – bezeichnet werden, Supraleitung bei weitaus höheren Temperaturen, über 77 K (−196 °C), gezeigt, was eine billigere Kühlung mit flüssigem Stickstoff ermöglicht. Sie bleiben jedoch spröde und schwierig in praktische Spulen zu fertigen.

Ein echter Raumtemperatur-Supraleiter, der bei alltäglichen Drücken und Temperaturen arbeitet, wäre transformativ: verlustfreie nationale Stromnetze, magnetisch schwebende Fracht und schnellere Computer, die einen Bruchteil der heutigen Energie verbrauchen. Die Suche hat zu dramatischen Behauptungen geführt – insbesondere zu dem koreanischen Material LK-99 aus dem Jahr 2023, das zunächst weltweite Begeisterung auslöste, bevor unabhängige Labore die Ergebnisse nicht replizieren konnten.

Anfang 2026 berichteten Forscher der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie über Hinweise darauf, dass sich die Legierung NbRe als Triplett-Supraleiter verhalten könnte – eine seltenere Art, die sowohl elektrische als auch Spinströme widerstandslos leiten kann, was potenziell für das Quantencomputing nützlich ist. Die in den Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse müssen noch unabhängig verifiziert werden, veranschaulichen aber, wie sich das Feld weiterentwickelt.

Warum es wichtig ist

Das U.S. Department of Energy schätzt, dass etwa 10 Prozent des in den Vereinigten Staaten erzeugten Stroms durch Widerstand während der Übertragung verloren gehen. Weltweit beläuft sich diese verlorene Energie auf Hunderte von Milliarden Dollar und Millionen Tonnen vermeidbares CO₂ pro Jahr. Supraleitende Stromleitungen könnten, selbst wenn sie bei kalten Temperaturen betrieben werden, einen Großteil dieser Verschwendung beseitigen.

Über ein Jahrhundert nachdem Kamerlingh Onnes in seinem Leidener Labor erstmals Quecksilber abkühlte, bleibt die Supraleitung eine der produktivsten Grenzen der Physik – bereits unverzichtbar in Medizin und Wissenschaft und immer noch voller ungenutztem Potenzial für die Art und Weise, wie sich die Welt bewegt und Energie nutzt.