Von Robert Gerwin

Die jedem erfahrenen Physiker vertraute Tatsache, daß sich die Lösung eines komplizierten Forschungsproblems bisweilen einfach dadurch ergibt, daß man zu den elementaren Wurzeln altbekannter Gesetze zurückkehrt, hat wieder einmal eine interessante Bestätigung gefunden. Vor kurzem führte das Philips-Forschungslaboratorium in Eindhoven in Holland ein internationales Symposion durch, in dessen Verlauf ein neuartiger Dynamo für supraleitende Magneten hoher Feldstärke in der Form eines Laboratoriummodelles vorgeführt wurde.

Es geht dabei im Prinzip um nichts anderes als die Anwendung der bereits 1831 von Faraday entdeckten elektromagnetischen Induktion auf einen supraleitenden Stromkreis, also die Erzeugung eines elektrischen Stromes durch die Bewegung einer Drahtschleife in einem Magnetfeld. Bei der Verwendung normaler elektrischer Leiter wird von dieser Gesetzmäßigkeit seit langem in jeder Licht- und Dynamomaschine Gebrauch gemacht, doch für einen Supraleiter schien es bisher nicht anwendbar zu sein, da der Meißner-Effekt – so genannt nach dem deutschen Pionier der Tieftemperaturphysik, Walther Meißner – das Eindringen eines äußeren magnetischen Feldes in einen Supraleiter verbietet. Um aber elektrischen Strom durch Induktion zu erzeugen, müssen magnetische Feldlinien durchschnitten werden, was natürlich nur dort gelingt, wo diese Feldlinien auch in einen Leiter eindringen können.

Man versteht unter der Supraleitung das sprunghafte Verschwinden jedes elektrischen Widerstandes in einem normalerweise schlechten elektrischen Leiter, der auf einige Grade vor dem absoluten Nullpunkt gekühlt worden ist. Der elektrische Widerstand verringert sich gegenüber dem Widerstand des Kupfers bei Zimmertemperatur mindestens um den Faktor 10 10 16, er ist also praktisch gleich Null. Deshalb konnte man bereits in supraleitenden Drahtschlaufen Ströme induzieren, die darin für viele Monate verlustlos zirkulierten. Es erscheint natürlich sehr verlockend, aus solchen Supraleitern sogenannte Supermagneten zu bauen, die, einmal in Gang gesetzt, ohne elektrischen Energieaufwand Magnetfelder bis zu Stärken von einigen 100 000 Örsted liefern, während durch ihre supraleitenden Spulenwindungen ständig ein Strom sehr hoher Stärke fließt. Sowohl für die Kernphysik als auch die Plasmaphysik und für Festkörperuntersuchungen besteht ein großes Interesse an Magnetfeldern von so hoher Stärke.

Nun besitzen jedoch die normalen supraleitenden Werkstoffe einen wesentlichen Nachteil: Die widerstandslose Leitfähigkeit ist abhängig von der magnetischen Feldstärke. Die Temperatur, bei der die Supraleitfähigkeit einsetzt, geht mit zunehmender Feldstärke zurück, so daß ein zu einer Magnetspule aufgewickelter Supraleiter durch sein eigenes Magnetfeld zu einem normalen Leiter wird. Doch gibt es neben diesen normalen, sogenannten „weichen“ Supraleitern seit kurzem „harte“ Supraleiter, bei denen diese Selbstzerstörung durch das Magnetfeld nicht stattfindet. Es sind dies spezielle Legierungen beziehungsweise gesinterte Mischungen von Niobium, Zirkonium, Zinn und einigen anderen Metallen. Hier findet der Stromfluß nicht nur auf die Oberfläche des Leiters statt, sondern er verteilt sich über dessen ganzen Querschnitt!

Leider sind mit der Verwendung solcher harten Supraleiter noch nicht alle Schwierigkeiten aus dem Wege geräumt. Problematisch ist die Anregung des Stromflusses in der supraleitenden Magnetspule. Man muß ihn ja erst einmal in Gang setzen, und wie soll das anders geschehen als durch eine Stromzuführung von außen? Die Stromdichte in den Windungen eines Supermagneten liegt aber bei einigen 10 000 Ampere pro Quadratzentimeter. Man braucht also recht kräftige Kupferrohre als Stromzuführung, die dummerweise besonders gute Wärmeleiter sind. Deshalb wird der supraleitenden Magnetspule mit dem Strom auch Wärme zugeführt. Natürlich liegt es nahe, eine berührungslose Stromzufuhr durch elektromagnetische Induktion zu versuchen, doch durch ein einfaches Herausziehen der supraleitenden Spule aus einem äußeren Magnetfeld, wie man es bisher vielfach versuchte, waren nicht die gewünschten hohen Stromstärken zu erzielen.

Der junge holländische Professor J. Volger entwickelte jetzt in den Philips-Forschungslaboratorien Eindhoven einen sogenannten Homopolar-Dynamo, der dieses Problem auf sehr einfache und geniale Weise löst. Das Gerät besteht praktisch nur aus einer supraleitenden flachen Scheibe, vor der ein starker Dauermagnet ständig im Kreis herumgeführt wird. Der Stromanschluß der supraleitenden Magnetspule erfolgt einmal im Zentrum der Scheibe und zum anderen an einer beliebigen Stelle ihres äußeren Randes. Im Gegensatz zu der angeschlossenen Spule besteht die Scheibe dieses Dynamos aus einem weichen Supraleiter, so daß der vor der Scheibe kreisende Dauermagnet in der Lage ist, mit seinem Magnetfeld in einen begrenzten Bereich der Scheibe die Supraleitfähigkeit zu zerstören. Wird der Magnet bei seiner Drehung nun zwischen dem äußeren und zentralen Anschluß der supraleitenden Spule hindurchgeführt, dann bleibt zwar der supraleitende Stromfluß bestehen, da dieser ja nicht darauf angewiesen ist, den direkten Weg zu nehmen. Er kann vielmehr rechts und links an dem normalleitenden „Loch“ in der supraleitenden Scheibe entlangfließen. Doch an dieser Stelle wird die durch den Meißner-Effekt bedingte Abschirmung des Supraleiters gegen äußere Magnetfelder durchbrochen: Die durch das Loch vorstoßenden magnetischen Feldlinien schneiden den Stromkreis und es wird ein zusätzlicher Stromimpuls induziert.