Supraleitende Schwebebahn (2026)
Einleitung
Die hier aufgebaute Magnetschwebebahn demonstriert einige wesentliche Effekte der Supraleitung:
- das Fließen von widerstandsfreien Dauerströmen,
- den idealen Diamagnetismus, d.h. das Verdrängen von Magnetfeldern aus dem Inneren eines Supraleiters,
- die Flusslinienverankerung (Pinning) bei harten Supraleitern, die die Kurvenführung auf unserer Bahn sichert.
Verhalten von Supraleitern im Magnetfeld
Supraleiter sind perfekte Diamagnete.
Ein Anwachsen des Magnetfeldes im Diamagneten induziert ringförmige Abschirmströme, deren Magnetfeld nach der Lenzschen Regel dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ist, so dass sich die Felder im Inneren des Leiters aufheben. Die magnetische Abstoßung bewirkt ein Schweben des Leiters im Magnetfeld.
Meißner-Ochsenfeld-Effekt
Auch wenn man einen Supraleiter im Magnetfeld auf T < TC abkühlt, werden die magnetischen Flusslinien aus dem Inneren des Supraleiters verdrängt. Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt bewirkt, dass ein Supraleiter von einem Magnetfeld abgestoßen wird.
Supraleiter 1. Art
verdrängen das Magnetfeld bis auf eine dünne Oberflächenschicht (Londonsche Eindringtiefe), in der die Abschirmströme fließen. Diese Abschirm-ströme erzeugen ein magnetisches Moment m. Die Magnetisierung M = m/V wächst proportional mit dem angelegten Feld B bis zum Erreichen einer kritischen Feldstärke BC, bei der die Supraleitung zusammenbricht.
Supraleiter 2. Art
Den Bereich zwischen Bc1 und Bc2 bezeichnet man als Shubnikov-Phase. In dieser Phase kann das Magnetfeld teilweise in den Supraleiter eindringen, wodurch die Magnetisierung des Supraleiters mit wachsendem Feld monoton abnimmt, bis bei einem Wert Bc2 die Supraleitung aufgehoben wird.
Der magnetische Fluss durchsetzt einen Supraleiter in Form von quantisierten Flusslinien, deren Kern normalleitend ist. Ringströme verdrängen das Magnetfeld aus den Bereichen zwischen den Flusslinien. Im idealen Supraleiter 2. Art sind die Flusslinien frei verschiebbar.
Harte Supraleiter
In realen Supraleitern 2. Art sind die Flusslinien an energetisch günstige Plätze wie Gitterfehler oder normalleitende Ausscheidungen "gepinnt".
Die Energie einer Flussslinie ist proportional zu ihrer Länge. Position 1 ist energetisch günstiger, da im normalleitenden Bereich keine Ringströme fließen, was die effektive Länge der Flusslinie verkürzt. Kühlt man einen harten Supraleiter im Magnetfeld ab, so wird die den Supraleiter durchsetzende Feldkonfiguration “eingefroren”. Um den Supraleiter im Feld zu bewegen muss eine Kraft aufgewendet werden, um die Flusslinien von den Haftzentren loszureißen.
Schwebemechanismen
Jeder diamagnetische Körper schwebt in einem Magnetfeld durch magnetische Abstoßung. Hier schwebt ein kleiner Frosch (lebendig!) in einer Ø32mm vertikalen Bohrung eines 16 Tesla-Magneten im High Field Magnet Laboratory der Universität Nijmegen.
Nur bei harten Supraleitern 2. Art wird neben dem diamagnetischen Schweben die Position im inhomogenen Magnetfeld durch Flusspinning “eingefroren”, wenn der Körper im Feld abgekühlt wird.
Kurvenführung
Das Flusspinning wird auch für die Kurvenführung ausgenutzt. Dazu wählt man die Magnetfeldgeometrie so, dass das Feld längs der Fahrtrichtung möglichst homogen, ansonsten jedoch deutlich inhomogen verläuft. Wir verwenden hier eine Reihe von Permanentmagneten, die wie in der Skizze dargestellt auf einen Weicheisenkern aufgeklebt werden.
Hier lässt sich ein im Feld gekühlter, harter Supraleiter längs der z-Richtung frei bewegen, in der xy-Ebene wirken die Pinning-Kräfte Verschiebungen entgegen und halten den Supraleiter auf seiner Bahn. Der Kurvenradius der Bahn muss der Geschwindigkeit des Fahrzeugs angepasst werden.
Antrieb
Auch für einen Antrieb kann der ideale Diamagnetismus von Supra-leitern genutzt werden. Dazu wird eine mit einer Lichtschranke ver-sehene Spule in die Fahrbahn eingebaut. Passiert das Fahrzeug die Mitte der Antriebsspule, so wird der Spulenstrom eingeschaltet. Die Abstoßung der supraleitenden Pellets aus dem resultierenden Magnetfeld bewirkt eine Be-schleunigung des Fahrzeugs in Fahrtrichtung.