Wir erklären, was Supraleiter sind, warum sie heute noch extreme Kälte oder enormen Druck brauchen und wie ein Raumtemperatur-Supraleiter Stromnetze, Magnetbahnen und Medizintechnik revolutionieren würde.
Podcast auf toknow hörenWillkommen bei toknow. Stell dir vor, Strom fließt völlig verlustfrei durch die Leitungen, Züge schweben lautlos über ihren Schienen und riesige Magnete brauchen kaum noch Energie. Genau das versprechen Supraleiter, Materialien, die unter bestimmten Bedingungen jeden elektrischen Widerstand verlieren. Klingt wie Science-Fiction, ist aber seit über hundert Jahren Realität, nur bisher fast immer bei extremer Kälte oder enormem Druck. Warum das so ist und was ein Supraleiter bei Raumtemperatur für unser Stromnetz, für Verkehr und Medizin bedeuten würde, erfährst du in dieser Folge. Wir schauen uns folgende Themen an: Erstens, was ist ein Supraleiter und warum kann Strom darin praktisch ewig fließen. Zweitens, die Entdeckung von 1911, eisiges Helium und ein glücklicher Zufall. Drittens, der Meissner-Effekt, wenn Magnete schweben. Viertens, warum die extreme Kälte nötig ist, Cooper-Paare und die BCS-Theorie. Fünftens, Hochtemperatur-Supraleiter und der große Sprung der achtziger Jahre. Sechstens, Druck statt Kälte, Hydride und die Jagd nach dem Raumtemperatur-Supraleiter. Siebtens, die Revolution im Stromnetz, Strom ohne Verluste. Achtens, Supraleiter schon heute im Einsatz, bei Magnetbahnen, im MRT und in Teilchenbeschleunigern. Und neuntens, das Fazit und der Ausblick, was bis zum Alltags-Supraleiter noch fehlt. Viel Spaß beim Zuhören!
Stell dir vor, du schickst Strom durch ein ganz normales Kabel, etwa aus Kupfer. Dabei geht immer ein Teil der Energie verloren, weil die Elektronen im Metall unterwegs ständig gegen Atome stoßen. Dieses Bremsen nennt man elektrischen Widerstand. Er sorgt dafür, dass sich Kabel erwärmen, dass dein Ladegerät heiß wird und dass Energie einfach als Wärme verschwindet. Ein Supraleiter macht genau das Gegenteil. Kühlst du bestimmte Materialien weit genug ab, passiert etwas Erstaunliches: Der elektrische Widerstand fällt schlagartig auf null. Nicht fast null, sondern exakt null. Die Elektronen bewegen sich durch das Material, ohne irgendwo anzustoßen, ohne auch nur ein bisschen Energie zu verlieren. Was das bedeutet, haben Forschende in einem berühmten Experiment gezeigt. Sie brachten Strom in einem supraleitenden Ring zum Fließen und warteten dann einfach. Ein normaler Strom würde innerhalb von Sekundenbruchteilen abklingen. Doch dieser Strom floss weiter, Jahr für Jahr, ohne messbar schwächer zu werden. Man schätzt, dass er noch Hunderttausende von Jahren weiterfließen würde. Genau dieser Zustand heißt Supraleitung: ein Material, in dem Strom verlustfrei und praktisch ewig fließt. Klingt wie Magie, ist aber reine Physik. Und sie könnte unsere Welt komplett verändern. Wie diese Entdeckung vor über hundert Jahren begann, erzähle ich dir im nächsten Kapitel.
Stell dir vor: Leiden, Niederlande, im Jahr 1911. Der Physiker Heike Kamerlingh Onnes hat gerade etwas geschafft, das vor ihm niemand konnte – er hat Helium verflüssigt. Damit besaß er die kälteste Substanz der Welt, flüssiges Helium bei nur etwa vier Grad über dem absoluten Nullpunkt. Und nun wollte er wissen: Was passiert eigentlich mit Metallen, wenn man sie so extrem abkühlt? Dafür wählte er Quecksilber, weil es sich damals besonders rein herstellen ließ. Seine Vermutung war, dass der elektrische Widerstand bei sinkender Temperatur einfach immer kleiner wird. Doch dann kam der Moment, der alles veränderte: Bei minus 269 Grad Celsius – fast exakt 4,2 Kelvin – fiel der Widerstand schlagartig auf exakt null. Nicht kleiner, nicht winzig. Null. Kamerlingh Onnes traute seinen Messungen zunächst kaum und ließ alles immer wieder überprüfen. Doch das Ergebnis blieb: Das Quecksilber leitete Strom völlig widerstandsfrei. Er taufte diesen Zustand Supraleitung – und ahnte wohl selbst, dass er etwas Revolutionäres gefunden hatte. Zwei Jahre später, 1913, erhielt er den Nobelpreis für Physik. Und das Vermächtnis? 1914 ließ er Strom durch eine gekühlte supraleitende Spule fließen – der Strom kreiste weiter, ohne je schwächer zu werden. Ein komplett neues Forschungsfeld war geboren.
Stell dir vor, du lässt einen kleinen Magneten über einer dunklen Scheibe aus Supraleitermaterial los – und statt herunterzufallen, bleibt er einfach in der Luft schweben. Kein Faden, kein Trick. Dahinter steckt der Meißner-Effekt, entdeckt 1933 von Walther Meißner und Robert Ochsenfeld. Was genau passiert da? Kühlt ein Supraleiter unter seine Sprungtemperatur, verdrängt er jedes Magnetfeld aus seinem Inneren. Das Feld wird regelrecht hinausgeworfen. An der Oberfläche bilden sich nämlich Ströme, die ein exaktes Gegenfeld aufbauen. Dieses Gegenfeld stößt den Magneten ab – und genau diese Abstoßung lässt ihn schweben. Und jetzt kommt der entscheidende Punkt: Ein bloßer perfekter Leiter, also ein Material mit null Widerstand, würde das nicht schaffen. Der würde ein Magnetfeld, das bereits in ihm steckt, einfach einfrieren und festhalten. Der Supraleiter dagegen schmeißt das Feld aktiv heraus, egal, was vorher war. Damit ist bewiesen: Supraleitung ist ein eigener Zustand der Materie – deutlich mehr als nur ein verschwundener Widerstand. Manche Supraleiter gehen sogar noch weiter: Das Magnetfeld durchdringt sie in winzigen Kanälen, und diese Feldlinien fixieren den Magneten wie unsichtbare Nadeln. Er hängt dann völlig stabil in der Luft, sogar kopfüber. Schwebende Züge? Genau hier fangen sie an.
Also, warum brauchen Supraleiter diese extreme Kälte? Die Antwort steckt in einer der elegantesten Ideen der Physik: der BCS-Theorie, benannt nach John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer, die dafür 1972 den Nobelpreis bekamen. Von der Entdeckung der Supraleitung 1911 bis zu dieser Erklärung vergingen übrigens fast fünfzig Jahre, so hartnäckig war das Rätsel. Stell dir vor, Elektronen sind Einzelgänger, die sich eigentlich gegenseitig abstoßen. Doch in einem Supraleiter passiert etwas Überraschendes: Ein Elektron flitzt durch das Kristallgitter und zieht dabei die positiven Atomkerne minimal hinter sich her. Diese winzige Verzerrung wirkt wie eine Spur, die ein zweites Elektron anzieht. So bilden die beiden ein Team, ein sogenanntes Cooper-Paar. Und diese Paare sind der Schlüssel. Statt einzeln mit den Atomen zusammenzustoßen und Energie zu verlieren, bewegen sich alle Paare gemeinsam, wie ein einziger, störungsfreier Strom. Kein Reiben, kein Widerstand. Aber hier kommt die Kälte ins Spiel: Diese Paare sind extrem zerbrechlich. Wärme bedeutet, dass die Atome wild schwingen, und schon kleine Schwingungen reichen, um die Paare auseinanderzureißen. Dann ist die Supraleitung sofort vorbei. Nur unterhalb der kritischen Temperatur bleiben die Cooper-Paare stabil. Genau deshalb musst du Supraleiter kühlen, egal wie clever das Material sonst ist. Und dass Forscher diese Temperaturgrenze später trotzdem knacken konnten, dazu gleich mehr.
Jahrzehntelang galt: Supraleitung gibt es nur kurz über dem absoluten Nullpunkt, gekühlt mit teurem flüssigem Helium. Doch 1986 wagten Georg Bednorz und Alex Müller in den IBM-Labors in Zürich etwas Verrücktes. Sie testeten Keramiken, also Materialien, die normalerweise gar keinen Strom leiten. Und tatsächlich: Ihre Kupferoxid-Keramik wurde schon bei deutlich wärmeren Temperaturen supraleitend als alles Bekannte. Nur ein Jahr später ließ eine Keramik aus Yttrium, Barium und Kupfer den Widerstand schon bei rund minus 180 Grad verschwinden. Bednorz und Müller erhielten dafür quasi im Flug den Nobelpreis. Warum war das so ein Durchbruch? Wegen minus 196 Grad. Das ist die Temperatur, bei der Stickstoff flüssig wird. Und flüssiger Stickstoff ist billig, fast unbegrenzt verfügbar und viel einfacher zu handhaben als Helium. Plötzlich reichte ein gewöhnlicher Topf Stickstoff, um schwebende Magnete zu zeigen. Die Fachwelt sprach von Hochtemperatur-Supraleitern, auch wenn es dabei noch immer bitterkalt ist. Warum siehst du die Dinger trotzdem nicht überall? Keramik ist spröde. Du kannst sie kaum zu langen, flexiblen Kabeln biegen, sie bricht schnell, und die Herstellung großer, fehlerfreier Bänder ist kompliziert und teuer. Dazu kommt: Niemand versteht bis heute vollständig, wie diese Kupferoxide überhaupt supraleiten. Das macht gezielte Verbesserungen schwierig. Der Sprung war also riesig, aber der Alltag folgte nicht.
Was, wenn man den Supraleiter nicht kühlt, sondern einfach zusammenpresst? Klingt absurd, funktioniert aber tatsächlich. Der Clou: Wasserstoff. Unter enormem Druck verhält er sich wie ein Metall – und genau das brauchen Cooper-Paare, um zu tanzen. 2015 gelang der Durchbruch: Forscher pressten Schwefelhydrid in winzigen Diamantstempelzellen auf etwa anderthalb Millionen Atmosphären – mehr als im Erdkern. Ergebnis: Supraleitung bei minus 70 Grad. Kalt, aber ein Rekord. Wenig später schaffte Lanthanhydrid sogar minus 23 Grad. Also fast Raumtemperatur. Der Haken: Der Druck ist so extrem, dass nur mikroskopisch kleine Proben existieren. Für Kabel oder Magnete völlig unbrauchbar – aber der Beweis, dass warme Supraleitung physikalisch möglich ist. Kein Wunder, dass die Jagd danach regelmäßig Sensationen produziert. Erinnerst du dich an LK-99? 2023 behauptete ein südkoreanisches Team, ein Raumtemperatur-Supraleiter bei normalem Druck gefunden zu haben. Videos von schwebenden Brocken gingen viral, Börsenkurse zuckten. Doch kein Labor der Welt konnte das Ergebnis wiederholen – die Effekte stammten von Verunreinigungen im Material. LK-99 war also ein Irrtum. Aber er zeigt zweierlei: wie groß die Sehnsucht nach diesem Stoff ist – und dass Wissenschaft erst zählt, wenn andere sie bestätigen können.
Stell dir vor, du könntest Strom über hunderte Kilometer transportieren, ohne dass auch nur ein Prozent verloren geht. Heute ist leider das Gegenteil der Fall: Auf dem Weg vom Kraftwerk bis zu deiner Steckdose verschwindet ein spürbarer Teil der Energie als Wärme in Leitungen und Transformatoren. Weltweit gehen rund acht Prozent des erzeugten Stroms auf dem Transportweg verloren — genug, um ganze Länder zu versorgen. Genau hier könnten Supraleiter-Kabel ansetzen. Ohne elektrischen Widerstand fließt der Strom verlustfrei, und ein einziges, schlankes Kabel transportiert so viel Leistung wie mehrere dicke Kupferleitungen. Gerade in Städten wäre das ein Segen: weniger Graben, weniger Kupfer, mehr Platz. Ein erstes Beispiel läuft bereits: In Essen ersetzt seit 2014 ein rund einen Kilometer langes Supraleiter-Kabel eine Hochspannungsleitung mitten in der Stadt — gekühlt mit flüssigem Stickstoff und bis heute zuverlässig im Einsatz. Auch die Speicherung wäre revolutionär: In supraleitenden Magnetspulen lässt sich Energie fast verlustfrei parken und blitzschnell wieder abrufen — ideal, um schwankenden Wind- und Solarstrom auszugleichen. Und supraleitende Transformatoren wären kompakter und effizienter. Klar, die Kühlung verbraucht selbst Energie, aber deutlich weniger, als heute verpufft. Mit einem Raumtemperatur-Supraleiter entfiele selbst das — und unser Stromnetz bekäme ein völlig neues Fundament.
Supraleiter klingen nach Zukunftsmusik — dabei sind sie längst im Einsatz, wenn du weißt, wo du hinschauen musst. Ein Beispiel aus der Medizin: die Magnetresonanztomografie, kurz MRT. Die starken Magneten in diesen Geräten bestehen aus supraleitenden Spulen, mit flüssigem Helium gekühlt. So entstehen hochauflösende Bilder von deinem Körper — und das millionenfach auf der ganzen Welt. Ohne Supraleiter wären solche Magnete schlicht unmöglich, denn ein normaler Elektromagnet würde enorm viel Strom verbrauchen und heiß laufen. Auch in der Grundlagenforschung sind Supraleiter unverzichtbar. Der Teilchenbeschleuniger am CERN nutzt Tausende supraleitender Magnete, um Protonenstrahlen auf Kurs zu halten und bis an die Grenze der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen — auf einem siebenundzwanzig Kilometer langen Ring. Ein weiteres Beispiel sind Magnetbahnen: Supraleitende Magnete an Bord lassen den Zug schweben und treiben ihn zugleich an. Japan hat damit bereits über sechshundert Kilometer pro Stunde erreicht — ein Rekord, den die Bahn schwebend über ihren Schienen aufstellte. Nun stell dir vor, all das würde ohne extreme Kälte funktionieren. Ein Raumtemperatur-Supraleiter würde Medizingeräte kompakter und günstiger machen, Teilchenbeschleuniger effizienter betreiben lassen und Magnetbahnen flächendeckend erschwinglich — ganz ohne teure Kühlsysteme. Die Technologie steht also, es fehlt nur das richtige Material. Wie realistisch das wirklich ist, klären wir gleich.
Am Ende unserer Reise bleibt ein faszinierendes Bild: Supraleiter sind Materialien, in denen elektrischer Strom völlig ohne Widerstand fließt – keine Verluste, keine Abwärme, und nebenbei verdrängen sie Magnetfelder und lassen Magnete schweben. Entdeckt wurde dieser Zustand 1911 in eisig kaltem Quecksilber, und bis heute bleibt er an extreme Bedingungen geknüpft. Der Grund dafür liegt tief im Inneren: Elektronen bilden sogenannte Cooper-Paare, die gemeinsam widerstandsfrei durchs Kristallgitter gleiten – doch Wärme zerstört diese fragile Partnerschaft. Deshalb brauchen klassische Supraleiter Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, keramische Hochtemperatur-Supraleiter immerhin nur noch flüssigen Stickstoff, und Wasserstoff-Verbindungen kommen unter millionenfachem Druck in die Nähe von Raumtemperatur. Was auf dem Weg zum Alltags-Supraleiter noch fehlt, ist ein Material, das unter normalen Bedingungen funktioniert, sich zu Kabeln und Magneten verarbeiten lässt und erschwinglich bleibt. Ob es dieses Wundermaterial je geben wird, weiß heute niemand – aber genau diese offene Frage macht die Supraleitung zu einem der spannendsten Forschungsfelder unserer Zeit. Fände die Forschung es, wären verlustfreie Stromnetze, schwebende Züge und bessere Medizintechnik nur der Anfang. Schon heute stecken Supraleiter in MRT-Geräten und Teilchenbeschleunigern. Die Revolution hat leise begonnen. Das war toknow. Ich hoffe, du nimmst heute etwas Neues mit. Bis zum nächsten Mal — bleib neugierig.