Partner von
Partner von

Widerstandskämpfer

Vor mehr als 30 Jahren sorgte die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter für Furore. Doch der verlustfreie Stromtransport setzte sich nicht durch. Zwei Überzeugungstäter und ihre Mitstreiter lassen sich dennoch nicht entmutigen.




• Wenn Carsten Bührer und Jürgen Kellers erzählen, was sie alles erlebt haben, seit sie vor 20 Jahren Unternehmer wurden, wundert man sich, dass sie es noch immer sind. Das Thema Supraleitung führte die beiden Naturwissenschaftler damals zusammen, genauer: Hochtemperatur-Supraleiter. Das sind Materialien, die bei extrem tiefen Temperaturen jeglichen elektrischen Widerstand verlieren – deutlich früher als andere Supraleiter, die man noch viel stärker kühlen muss, um diesen Effekt zu erzielen. Die Technik sollte die Wissenschaftler reich machen und vielleicht sogar ein bisschen berühmt. Es kam anders.

Bis heute kämpfen Bührer, Kellers und ihre Mitstreiter dafür, die Technik zur Anwendung zu bringen. Ihre Geschichte ist ein Lehrstück darüber, warum die Supraleiter entgegen der in sie gesetzten Erwartungen bislang nicht das große Ding wurden – und gleichzeitig ein Plädoyer dafür, nie aufzugeben. Denn Ausdauer könnte auch in diesem – im doppelten Wortsinn – Widerstandskampf zu einem guten Ende führen.

Die große Hoffnung

Anfangs, 1986, deutete noch alles auf eine industrielle Revolution hin. Die beiden IBM-Forscher Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller hatten gerade die Hochtemperatur-Supraleitung entdeckt. Deren Forschungsarbeit weckte das bereits 1911 entdeckte Phänomen der widerstandslosen Stromleitung aus einem langen Dornröschenschlaf. Plötzlich mussten Metalle wie Niob oder Titan nicht mehr äußerst aufwendig mit teurem flüssigem Helium auf minus 269 Grad Celsius, also bis kurz vor den absoluten Nullpunkt ( minus 273,15 Grad), gekühlt werden. Für die neuen keramischen Verbindungen reichte günstiger Flüssigstickstoff und eine Temperatur von minus 196 Grad Celsius, um den elektrischen Widerstand verschwinden zu lassen. Die Wissenschaftler träumten von schnelleren Computerchips, widerstandslosen Stromkabeln, Flugzeugen und Schiffen mit supraleitenden Elektromotoren. Von einer Welt, in der verlustfreie Stromtrassen so viel Geld beim Energietransport sparen würden, dass die gesamte Menschheit mit billigem Strom versorgt werden könnte.

Im Gleichschritt auf dem Weg zum Ziel: Carsten Bührer (links) und Jürgen Kellers

Bereits 1987 wurde die sensationelle Entdeckung mit dem Physiknobelpreis gekrönt. Doch bald zeigte sich, dass die spröden Keramiken äußerst schwer zu verarbeiten waren. Als Carsten Bührer während seiner Promotion begann, mittels chemischer Reaktionen Supraleiter zu basteln, breitete sich unter den Entwicklern in der Industrie bereits Ernüchterung aus. Den jungen Physiker ließen trotzdem zwei Gedanken nicht los: Warum gibt es die Hochtemperatur-Supraleiter noch nicht fertig zu kaufen? Und: Sie herzustellen muss billiger gehen! Obwohl deutsche Großunternehmen die Materialentwicklung gerade einstellten, da Anwendungsaufträge ausblieben, war Bührer sicher, dass die Technik künftig gebraucht würde. Er gründete 1999 zusammen mit seinem Studien-Kollegen Jens Müller die Trithor GmbH – mit dem Ziel, Hochtemperatur-Supraleiter und -Drähte zu produzieren.

Das Team zog los, um einen Investor zu suchen – und fand mit einem regionalen Energieversorger als Hauptgesellschafter den idealen Partner: Das Unternehmen wollte die Supraleiter selbst einsetzen und war damit gleichzeitig auch der erste Kunde. „Bei den Gesprächen mit den Geldgebern wurde mir zum ersten Mal bewusst, dass locker mehrere Jahre vergehen werden, bis wir unsere Produkte in der Anwendung sehen“, sagt Bührer heute. „Einrichtung der Laboratorien, Entwicklung, Test, Probebetrieb – das dauert eben.“

Die große Enttäuschung

Bührer und sein Team begannen, Tag und Nacht an der Supraleiter-Produktion zu arbeiten. Es lief gut für das junge Unternehmen, bereits im vierten Jahr habe Trithor einen beträchtlichen Teil der weltweit produzierten Hochtemperatur-Supraleiter gefertigt, so Carsten Bührer. Dann machten sich die wirtschaftlichen Auswirkungen der Terroranschläge vom 11. September 2001 bemerkbar: Mit der Weltwirtschaft ging es abwärts, Trithors Geschäfte florierten nicht mehr. Entscheidend für die Insolvenz, in die Bührer und seine Kollegen schließlich rutschten, war aber etwas anderes: Kurz bevor der Chemiker Jürgen Kellers an Bord kam, der zehn Jahre lang das Europageschäft eines US-amerikanischen Herstellers von Supraleiter-Drähten und -Equipment für Stromnetze entwickelt hatte, wurde der Vorstandsvorsitzende des Trithor-Hauptinvestors ausgetauscht.

„Unser Problem war, dass dieser Mann der einzige auf Seiten der Investoren war, der verstand, was wir taten, und die Supraleitung langfristig anschieben wollte“, sagt Bührer. Der neue Chef des Energieversorgers hielt nichts von der Technik, drehte den Geldhahn zu und verlegte sich auf sein Kerngeschäft: das Verkaufen von Energie. Bührer und Kellers mussten eine wichtige Lektion lernen: „Die Krux von komplexer Hardware-Technologie wie der Supraleitung ist, dass die Zeiträume, in denen sie entwickelt werden kann, in der Regel länger sind als die durchschnittliche Verweildauer des Managements in einem großen Unternehmen“, sagt Bührer. Kurz: Die Person, die das Projekt beginnt, erlebt die Umsetzung nicht.

Wenn aus diesem Grund der Geldhahn zugedreht wird, habe man als kleine Firma keine Chance, sagt Bernhard Holzapfel, Experte für supraleitende Materialien am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Überall dort, wo komplexe Funktionsmaterialien im Spiel sind, wird es sehr schnell sehr teuer. Das gilt beispielsweise auch für Batterien in Elektroautos.“ Materialzusammensetzungen bei einem Akku zu finden, die für eine gewünschte Energie- und Leistungsdichte sorgen, sei nur der Anfang. „Wenn die gewählte Batterie-Variante nicht tausendfach ge- und entladen werden kann, ohne dass sie Schaden nimmt, taugt sie nichts“, sagt Holzapfel.

Analog dazu müsse auch ein Supraleiter-Draht eine große Menge an Strom leiten können. Anders als direkt nach der Nobelpreis-Entdeckung von 1986 angenommen, leiten die geeigneten Keramiken aber nur dann ausreichend Strom, wenn ihre Kristalle fein säuberlich in eine gemeinsame Richtung angeordnet sind.

„Das hinzubekommen war lange Zeit eine extrem hohe Hürde“, sagt der KIT-Forscher. Die keramischen Supraleiter-Partikel müssen nämlich in ein feines Silberrohr gefüllt und dann eingewalzt werden. Anschließend lassen sich die Rohdrähte vorsichtig zu Längen von mehreren Hundert Metern ziehen. Diese sogenannten „Drähte der ersten Generation“ funktionieren zwar hinsichtlich der widerstandslosen Stromleitung tadellos, wie beispielsweise das Projekt AmpaCity in Essen zeigt. Dort versorgt ein kilometerlanges Supraleiterkabel seit vier Jahren rund 10 000 Haushalte mit Strom. Wegen des hohen Silber-anteils von bis zu 70 Prozent kostet diese Leitung allerdings rund fünfmal so viel wie ein Kupferkabel – zu teuer für viele Anwendungen.

Das Henne-Ei-Problem

Andererseits: Das AmpaCity-Kabel könne fünfmal so viel Strom transportieren wie ein Kupferkabel gleichen Querschnitts, sagt Joachim Bock, der das Essener Projekt mit in die Wege geleitet hat und heute Unternehmen beim Thema Supraleiter berät. Und weil diese anders als herkömmliche Kupferkabel auch große Strommengen bei kleinerer Spannung übertragen können, sei es darüber hinaus möglich, auf einzelne große Transformatoren in teurer Innenstadtlage zu verzichten. Noch besser falle die Bilanz aus, wenn bereits bestehende Rohre oder Kabelschächte genutzt werden können, also nicht mehr gegraben werden müsse. „Unabhängig davon, dass der Preis für Supraleiterkabel in Zukunft weiter fallen muss, kann sich in Einzelfällen auch schon jetzt ein teures Kabel rechnen“, sagt Bock.

Markus Bauer will solche Kalkulationen künftig überflüssig machen. Der Vertriebsleiter des Ismaninger Supraleiter-Herstellers Theva arbeitet daran, dass die entsprechenden Kabel irgendwann billiger sind als ihre Pendants aus Kupfer. Die Grundlage dafür hat der Physiker bereits Ende der Neunzigerjahre maßgeblich mitentwickelt: ein chemisches Beschichtungsverfahren, das die Kristalle der Hochtemperatur-Supraleiter-Materialien in Reih und Glied ablagert. „So erreichen wir Stromdichten, die mehr als 200-mal so groß sind wie in Kupfer“, sagt Bauer. Die weitgehend silberfreien Kabel funktionieren also, und auch die Preise für die Rohstoffe sind günstig. „Dass diese Leiter im Moment trotzdem noch so teuer sind wie die Vorgänger-Generation aus Silber, liegt am bekannten Henne-Ei-Problem“, sagt KIT-Forscher Holzapfel. „Der Preis würde fallen, wenn der Markt viele Hundert Kilometer der neuen Supraleiterkabel nachfragt. Das wiederum geschieht nicht, weil eben der Preis noch hoch ist.“


„Die Krux von komplexer Hardware-Technologie wie der Supraleitung ist, dass die Zeiträume, in denen sie entwickelt werden kann, in der Regel länger sind als die durchschnittliche Verweildauer des Managements in einem großen Unternehmen.“


Dreht tüftelnd an der Preisschraube: Markus Bauer, Theva-Vertriebsleiter

Bei den Elektroautobatterien erledigt sich das Problem gerade. Gelöst wurde es mithilfe von milliardenschweren Investitionen in den Ausbau von Produktionskapazität und vor allem der Zuversicht, dass die Nachfrage steigen wird. Die Gigafactory von Elon Musk machte den Anfang. Für die im Vergleich zum Auto-mobilbau kleinen Firmen in der Supraleiter-Branche sind solche gewaltigen finanziellen Sprünge nicht möglich. Bührer und Kellers, die ihren Ausflug in die Insolvenz kurz gestalten konnten, versuchten daher mit einer anderen Strategie, das Henne-Ei-Problem zu umgehen.

Ausgestattet mit frischem Geld eines britischen Venture-Capital-Investors, suchten sie nach Märkten, die geringe Stückzahlen und Einzelanfertigungen im Maschinenbau – und damit höhere Preise – gewohnt waren. Die Idee: Wenn mehrere Unternehmen anbeißen und daraufhin weltweit weitere Supraleiter-Projekte und -Anwendungen folgen, fällt der Preis. Zwar langsamer als bei einer großen Nachfrage von Anfang an, aber immerhin.

Die Zenergy Power GmbH, wie Trithor seit 2008 heißt, entwickelte gleich mehrere solcher Nischenanwendungen: Im Jahr der Umbenennung präsentierte sie einen Induktionsheizer, der stromsparend große Aluminiumblöcke für die Weiterverarbeitung erhitzt. Die technische Koproduktion mit einem mittelständischen Anlagenbauer wurde gleich zweimal ausgezeichnet: mit dem Hermes-Award der Hannover Messe und dem Deutschen Umweltpreis der Bundesstiftung Umwelt. Ein Jahr später folgte ein effizienter Überlastschutz für Stromnetze auf Supraleiterbasis für den US-Markt. Im Rahmen einer Forschungskooperation wagten sich die beiden Entwickler und ihr Team auch an die Königsklasse: einen Generator mit Supraleitertechnik. Er sollte 2010 in einem von Eon betriebenen Wasserkraftwerk ans Netz gehen. Doch es kam wieder anders.

Der nächste Dämpfer

Der US-Konzern General Electric (GE) übernahm den britisch-französischen Entwicklungspartner für den Wasserkraftgenerator und stampfte das Projekt trotz erfolgreicher Tests ein. „GEs Maxime war: Wir liefern keine Forschungsprodukte an Kunden“, sagt Kellers, den die Sache bis heute schmerzt. „Der fertige Generator wurde in eine Kiste gesteckt. Sehr wahrscheinlich steht er immer noch in irgendeinem Lager herum.“ Zeit zu protestieren hatten er und sein Kompagnon Bührer nicht. Denn gleichzeitig wechselte wieder einmal das Management ihres Investors. Das neue entschied, fortan sein Geld in Cloud-Lösungen zu stecken und stoppte die Finanzierung für das Supraleiter-Unternehmen. Wieder war die Insolvenz unvermeidlich. Die Zenergy Power Plc., zu der neben der deutschen GmbH auch zwei kleinere Forschungs- und Entwicklungsfirmen in den USA und Australien zählten, wurde in seine unterschiedlichen Geschäftsfelder zerschlagen und verkauft.

Da Bührer und Kellers die für die Induktionsheizer benötigten Supraleitermagnete nicht mehr liefern konnten, zerschlug sich das aufkeimende Geschäft wieder. „Ich bin aber zuversichtlich, dass es auf diesem Gebiet in Kürze weitergeht“, sagt Bührer. „Die Lösung bietet einfach zu viele Vorteile.“

Er selbst ist dabei nur noch als Berater mit von der Partie. Mit Kellers und zwei weiteren Kollegen widmet er sich längst einem neuen Projekt. Die beharrlichen Überzeugungstäter haben das Know-how für supraleitende Generatoren und Motoren aus der Insolvenzmasse übernommen und verlegen sich mit ihrer 2012 gegründeten Firma Eco5 nun auf das weniger risikoreiche Projektieren und Simulieren – mit Erfolg, der Ingenieur-Dienstleister steht finanziell solide da. „Unser Ziel ist aber noch immer, die Supraleitung in die industrielle Anwendung zu bringen“, sagt Kellers.

Ein gutes Ende?

Jetzt versuchen sie es mit einem supraleitenden Generator für Windkraftanlagen. EcoSwing, so der Name, wurde in einem EU-Projekt entwickelt, ist rund 40 Prozent leichter und mit einem Durchmesser von vier Metern gegenüber 5,4 Metern auch kompakter als ein herkömmlicher Generator gleicher Leistung. Da Windräder immer leistungsfähiger und größer werden und man bei den Fundamenten und den Kosten für das Errichten schon heute an die Grenzen des Machbaren gekommen ist, bietet das Modell eine neue Perspektive für die Branche. „Wir setzen dabei nur auf Standardkomponenten und brauchen nicht einmal flüssigen Stickstoff – die Kühlung funktioniert mit Kältemaschinen“, sagt Kellers. Ihr neuer Generator, eine Weltpremiere, steckt bereits seit einigen Wochen in einem Windrad an der dänischen Nordseeküste.

„Das Projekt läuft sehr gut, aber wir wissen, dass morgen nicht überall supraleitende Windräder stehen werden, die dafür sorgen, dass die Preise fallen“, sagt Kellers. Die Energiebranche sei konservativ, die Margen seien niedrig. Und um die Produktionskapazitäten von Kabelherstellern wie Theva hochzufahren, brauche es viel Zeit und Geld. „Aber wenn wir zeigen, dass unser Generator einwandfrei funktioniert, kommen vielleicht auch andere Branchen dahinter, dass die Supraleitung bereit ist.“ ---