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Sep 08, 2023

Ansprüche des revolutionären Supraleiters LK

Unbegrenzte saubere Energie, tragbare MRTs, effizienteres Quantencomputing – das sind nur einige der Durchbrüche, die durch die Entdeckung eines Supraleiters, der im Raum funktioniert, ermöglicht werden könnten

Unbegrenzte saubere Energie, tragbare MRTs, effizienteres Quantencomputing – das sind nur einige der Durchbrüche, die durch die Entdeckung eines Supraleiters, der bei Raumtemperatur funktioniert, möglich werden könnten.

„Wenn Sie morgen einen Raumtemperatur-Supraleiter herstellen würden … wären Sie berühmt und würden den Nobelpreis gewinnen“, sagte Damian Pope, leitender Manager für wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Ontario.

Kein Wunder also, dass es in den sozialen Medien zahlreiche Nachrichten über LK-99 gibt, ein Material, das angeblich bei Umgebungsdruck und Temperaturen von bis zu 127 °C als Supraleiter fungiert. Ein Foto des über einem Magneten schwebenden Materials erregte die Aufmerksamkeit vieler Menschen. Experten sagen jedoch, dass dies keine Garantie für Supraleitung ist.

Mittlerweile bemühen sich Forscher auf der ganzen Welt sowie einige (schlecht beratene) Hobby-Heimwissenschaftler darum, die Ergebnisse zu reproduzieren. Bisher hat keiner LK-99 produziert und Supraleitung beobachtet.

Dies ist nur die jüngste in einer langen Reihe von Behauptungen über diesen „heiligen Gral“ der Materialwissenschaft, wie Pope ihn beschrieb – was erklären könnte, warum Experten LK-99 mit einer Stimmung angehen, die von Skepsis bis hin zu vorsichtigem Optimismus reicht.

„Die Öffentlichkeit sollte aufgeregt sein, aber ich denke, ein gewisses Maß an Fragen ist angebracht“, sagte Alannah Hallas, leitende Forscherin am Stewart Blusson Quantum Matter Institute an der University of British Columbia in Vancouver.

Ende Juli veröffentlichte ein Forscherteam des Quantum Energy Research Centre, einem Startup in Seoul, zwei Artikel, die keiner Peer-Review unterzogen wurden, auf arXiv (ausgesprochen „Archiv“), einem Pre-Print-Server, auf dem Wissenschaftler häufig vorläufige Berichte veröffentlichen Ergebnisse.

In den Papieren wurde LK-99 beschrieben, ein neues kupfersubstituiertes Bleiapatit – eine Verbindung bestehend aus Kupfer, Blei, Phosphor und Sauerstoff. Es ist nach zwei der Forscher benannt, die es entdeckt haben, und nach dem Jahr, in dem sie es angeblich erstmals synthetisiert haben.

„Das Besondere an dieser Behauptung ist die relative Leichtigkeit, das Material zu synthetisieren“, sagte Hallas in einem Interview mit CBC News. Den veröffentlichten Methoden zufolge wurde LK-99 durch Festkörpersynthese hergestellt. Sie verglich den Vorgang mit dem Backen, allerdings einfacher, „weil es keine feuchten Zutaten gibt.“

„Sie mischen einfach Ihre Pulverreagenzien zusammen und verwenden normalerweise einen Mörser und Stößel, um sie zu homogenisieren, damit alles sehr gut vermischt wird“, sagte Hallas, der auch Assistenzprofessor in der Abteilung für Physik und Astronomie der UBC ist. „Dann legst du es in den Ofen.“

Experten betonten zudem, dass die Forscher nichts falsch gemacht hätten. Es ist üblich, vorläufige Ergebnisse auf einen Pre-Print-Server hochzuladen, insbesondere wenn es sich möglicherweise um einen großen Durchbruch handelt.

„Wenn ich glauben würde, dass ich einen Raumtemperatur-Supraleiter in meinem Labor hätte … würde ich ihn wahrscheinlich auch so schnell wie möglich auf [arXiv] veröffentlichen“, sagte Hallas. „Das ist so eine monumentale Entdeckung, die die Welt verändern könnte … und dann wird der wissenschaftliche Prozess genauso funktionieren wie der wissenschaftliche Prozess.“

Ein Material muss zwei Schlüsseleigenschaften haben, um als Supraleiter zu gelten. Unterhalb einer kritischen Temperatur muss es durch den sogenannten Meissner-Effekt alle Magnetfelder verdrängen und Elektrizität ohne Widerstand leiten – das heißt, es geht absolut keine Energie verloren.

Hallas erklärte, dass Supraleiter auf atomarer Ebene funktionieren, weil sich Elektronen paaren und sich nicht mehr wie Elektronen verhalten.

„Stellen Sie sich vor, wie Menschen in einer Bar oder einem Nachtclub tanzen“, sagte sie. „In einem normalen Metal tanzt jeder für sich und ... macht sein eigenes Ding. Und vielleicht stoßen sie aneinander und schlagen sich mit den Ellbogen.“

„Ein Supraleiter ist wie eine Szene in einem Film, in der ein Flashmob auftaucht und jeder alle Tanzbewegungen kennt und sie perfekt synchron tanzen. Und so stößt niemand mit jemandem zusammen [und es geht keine Energie verloren].“

🔥🔬 Aufregender Moment! Wir nehmen die Proben nach 6 Stunden bei 925°C aus dem Ofen. 🌡️✨ Schauen Sie sich unser Video an, das unseren ersten Versuch aufzeichnet, #LK99 Substanz zu bekommen. 🔍 #ResearchUpdate #SampleAnalysis pic.twitter.com/gy0MMc0sxO

Bisher konnten Wissenschaftler nur Materialien entwickeln, die diese Eigenschaften bei extrem niedrigen Temperaturen oder extrem hohen Drücken beibehalten, was ihre Anwendung einschränkt und ihre Implementierung teuer macht.

Die Supraleitung wurde erstmals vor über einem Jahrhundert von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes entdeckt. Er fand heraus, dass festes Quecksilber bei etwa –269 °C – nur vier Grad über dem absoluten Nullpunkt – zum Supraleiter wird. In den folgenden Jahrzehnten wurden weitere supraleitende Materialien mit ähnlichen kritischen Temperaturen entdeckt.

Der nächste große Durchbruch gelang erst in den 1980er Jahren mit der Entdeckung von Cupratverbindungen – einer Klasse kupferhaltiger Materialien, die bei viel höheren Temperaturen, bis zu etwa –140 °C, als Supraleiter fungieren können.

Physiker hoffen, dass der nächste Sprung zu einem Material führen wird, das bei Raumtemperatur als Supraleiter fungieren kann.

Die Anwendungen eines Raumtemperatur-Supraleiters könnten revolutionär sein, sagen Experten.

„Eine Sache, die für Kanadier wirklich spannend ist, sind Anwendungen in MRT-Geräten“, sagte Hallas. „MRTs nutzen supraleitende Magnete, um ein starkes Magnetfeld zu erzeugen, das die Grundlage der Bildgebung bildet.“

Aktuelle MRT-Geräte verwenden Niob-Titan, um dieses Feld zu erzeugen, es muss jedoch auf Temperaturen innerhalb von 10 Grad über dem absoluten Nullpunkt gehalten werden. „Ich komme aus Winnipeg, und das ist deutlich kälter, als selbst Winnipeg am kältesten Tag werden kann“, sagte sie.

Die Verwendung eines Supraleiters bei Raumtemperatur würde den Bedarf an flüssigem Helium zur Kühlung der Magnete überflüssig machen und möglicherweise den Weg für tragbare MRT-Geräte ebnen, die in abgelegene Gemeinden gebracht werden könnten.

Subir Sachdev, Professor für Physik an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, freut sich am meisten über eine weitere mögliche Anwendung: Fusionsenergie, die grenzenlose saubere Energie verspricht, indem sie nachahmt, was im Kern von Sternen wie der Sonne passiert.

„Um eine Fusion zu erreichen, muss man dieses Plasma aus geladenen Teilchen – Protonen und Neutronen usw. – nehmen und sie in einem kleinen Volumen komprimieren“, sagte er in einem Interview mit CBC News. „Dafür würde man Magnetfelder nutzen.“

Sachdev sagte, es sei bereits vorgeschlagen worden, dass bestehende Supraleiter die Kernfusion Wirklichkeit werden lassen könnten, aber mit Raumtemperatur-Supraleitern würde es viel einfacher werden.

Für Pope vom Perimeter Institute ist es auch wichtig, nicht zu übersehen, was dies für unsere Infrastruktur bedeuten könnte. „Bei diesen großen Freileitungen, die Sie sehen, gehen etwa 15 Prozent der Energie vom Kraftwerk verloren, bis sie Ihr Zuhause erreicht. [Wenn wir] alle diese Leitungen dort durch supraleitende Leitungen ersetzen würden, wäre der Verlust so groß null."

Aus dem gleichen Grund könnten Computer hunderte Male schneller und energieeffizienter werden, ohne dass mehr Energie in Form von Wärme verloren geht.

Dies ist nicht das erste nicht identifizierte supraleitende Objekt (USO), das auf arXiv erscheint.

„Alle paar Jahre wird behauptet, dass ein neues Material plötzlich ein besserer Supraleiter sei“, sagte Sachdev. „Das letzte Mal, dass sich das wirklich bewahrheitete, war 1987, als die Cuprat-Verbindungen entdeckt wurden.“

Pope äußerte eine ähnliche Meinung und fügte hinzu, dass es „eine Art Quantensprung“ sei, von Materialien, die bei –140 °C supraleitend seien, auf über 100 °C umzusteigen.

Wenn es um das Foto geht, das in den sozialen Medien Aufmerksamkeit erregte, sagte Hallas, es sei wichtig, sich daran zu erinnern, dass „es andere physikalische Erklärungen gibt, die zur Magnetschwebebahn führen können.“

„Wenn Sie auf Amazon gehen, können Sie für weniger als 100 US-Dollar einen schwebenden Blumentopf kaufen, und das hat nichts mit Supraleitung zu tun. Das ist eigentlich nur magnetische Abstoßung.“

Hallas bemerkte auch, dass die Papiere nicht alles enthielten, was man normalerweise in einer von Experten begutachteten Zeitschrift sehen würde, und dass einige der berichteten Strukturen sie nachdenklich machten.

„Die tatsächliche Charakterisierung des endgültigen Materials ist wirklich unvollständig … Es besteht den Schnüffeltest nicht wirklich, was die Art der Intuition betrifft, wie sich diese chemische Reaktion abspielen würde. Es beinhaltet irgendwie unphysikalische Konfigurationen.“

Nehmen wir an, dass Labore auf der ganzen Welt in den nächsten Wochen in der Lage sind, die veröffentlichten Methoden zu reproduzieren, die Ergebnisse zu reproduzieren und eine unabhängige Bestätigung zu liefern, dass LK-99 tatsächlich ein Supraleiter ist. Bedeutet das, dass all diese Innovationen unmittelbar bevorstehen? Nicht ganz.

Hallas sagte, obwohl die unkomplizierte Methode zur Synthese von LK-99 bedeute, dass die Produktion im industriellen Maßstab durchaus machbar zu sein scheine, „ist dies nur der erste Schritt auf dem Weg zu einem Material, das im Hinblick auf eine nutzbare Technologie tatsächlich Früchte trägt.“ Weitere Überlegungen umfassen Sicherheit, Kosten, Widerstandsfähigkeit gegenüber unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und die einfache Herstellung verschiedener Konfigurationen wie Drähte.

Doch unabhängig davon, was mit LK-99 passiert, sind die Forscher froh, wenn der Materialwissenschaft etwas Aufmerksamkeit geschenkt wird.

„So etwas habe ich in meinem Forschungsbereich noch nie erlebt, dass die breite Öffentlichkeit so begeistert von einer gemeldeten Entdeckung war“, sagte Hallas. „Es ist eine echte Momentaufnahme davon, wie unser alltäglicher Prozess aussieht und was in die Art der Wissenschaft einfließt, die wir betreiben.“

Wissenschaftskommunikator

Darius Mahdavi ist ein CBC-Wissenschaftsspezialist mit Sitz in Vancouver. Er berichtet über die neuesten Erkenntnisse aus der Welt der Wissenschaft, wobei der Schwerpunkt auf den Auswirkungen des Klimawandels auf die Menschen und Ökosysteme Kanadas liegt. Er hat als Forscher gearbeitet und einen Abschluss in Naturschutzbiologie und Immunologie an der University of Toronto gemacht. Wenn Sie eine Frage zu Wissenschaft oder Klima haben, wenden Sie sich an [email protected].

Mit Dateien von Anand Ram