Cupraatsupergeleider

Bijgewerkt: 12 augustus 2026 · 5 min leestijd

Stel je een stroomkabel voor waar elektriciteit doorheen vloeit zonder enige weerstand: geen opwarming, geen energieverlies, hoe lang de kabel ook is. Dat is het principe van supergeleiding, en cupraten zijn een familie van materialen die dit kunststukje kunnen uitvoeren bij temperaturen die, vergeleken met klassieke supergeleiders, verrassend 'warm' zijn. Een cupraatsupergeleider is een keramisch materiaal opgebouwd uit koperoxide-lagen (cuprum is Latijn voor koper), vaak gecombineerd met elementen als yttrium, barium, bismut of lanthaan.

Het bijzondere is niet alleen dát deze materialen supergeleiden, maar bij welke temperatuur. Klassieke supergeleiders werken pas vlak bij het absolute nulpunt (-273°C) en moeten gekoeld worden met duur vloeibaar helium. Sommige cupraten worden al supergeleidend bij temperaturen die te bereiken zijn met vloeibare stikstof, een koelmiddel dat ongeveer zo duur is als melk. Dat verschil maakt cupraten technologisch en economisch interessant, ook al blijven ze nog altijd extreem koud naar menselijke maatstaven.

Wat is het precies?

Supergeleiding is een natuurkundig verschijnsel waarbij een materiaal onder een bepaalde 'kritische temperatuur' (Tc) plotseling alle elektrische weerstand verliest. Elektronen die normaal gesproken botsen met atomen in het materiaal — en daarbij energie verspillen als warmte — vinden in een supergeleider een manier om zich ongehinderd voort te bewegen.

In klassieke supergeleiders, ontdekt in 1911 door de Nederlander Heike Kamerlingh Onnes, gebeurt dit doordat elektronen paren vormen (Cooper-paren) via trillingen in het kristalrooster van het metaal. Deze theorie, de BCS-theorie, voorspelde dat supergeleiding nooit boven ongeveer 30 tot 40 Kelvin (rond -240°C) zou kunnen bestaan.

Cupraten spraken die grens tegen. Hun kristalstructuur bestaat uit dunne, vlakke lagen van koper- en zuurstofatomen, gescheiden door lagen van andere elementen die als een soort 'reservoir' van lading dienen. In die koperoxide-vlakken vindt de supergeleiding plaats. Waarom cupraten bij zulke hoge temperaturen supergeleidend worden, is nog altijd niet volledig verklaard: de klassieke BCS-theorie schiet hier tekort, en natuurkundigen spreken daarom van 'onconventionele' of 'hogetemperatuur'-supergeleiding. Er bestaan verschillende theoretische modellen, maar een sluitende, algemeen geaccepteerde verklaring ontbreekt tot op heden.

Praktisch gezien zijn cupraten broze, keramische materialen — heel anders dan de soepele metaaldraden van klassieke supergeleiders. Om er bruikbare kabels van te maken, worden ze meestal als dun laagje op een flexibele metalen band aangebracht, een techniek die bekendstaat als 'coated conductor' of tweede-generatie (2G) HTS-draad (HTS staat voor High-Temperature Superconductor).

Wat wil men ermee bereiken?

Het uiteindelijke doel is elektriciteit efficiënter opwekken, transporteren en gebruiken. Gewone koperen stroomkabels verliezen onderweg altijd een deel van hun energie als warmte; bij supergeleidende kabels valt dat verlies vrijwel weg, wat interessant is voor drukke stedelijke stroomnetten waar ruimte schaars is.

Daarnaast maken supergeleiders extreem sterke elektromagneten mogelijk, veel sterker dan met gewone koperspoelen haalbaar is. Dat is cruciaal voor onder meer MRI-scanners in ziekenhuizen, deeltjesversnellers in de natuurkunde, en — steeds prominenter — voor kernfusiereactoren, waar sterke magneetvelden nodig zijn om superheet plasma in bedwang te houden.

Omdat cupraten met relatief goedkope vloeibare stikstof gekoeld kunnen worden in plaats van met schaars en duur vloeibaar helium, hoopt men bovendien de kosten en complexiteit van supergeleidende technologie flink te verlagen, wat toepassingen buiten dure laboratoria en ziekenhuizen betaalbaarder zou moeten maken.

Voorbeelden uit de praktijk

De ontdekking van cupraatsupergeleiding zelf is een mijlpaal: in 1986 vonden de IBM-onderzoekers Georg Bednorz en K. Alex Müller in Zürich een lanthaan-barium-koperoxide dat al bij ongeveer 35 Kelvin supergeleidend werd — destijds een sensatie. Ze kregen er in 1987, ongewoon snel, de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor.

Kort daarna, in 1987, ontdekten onderzoekers onder wie Paul Chu een yttrium-barium-koperoxide (YBCO, chemisch YBa₂Cu₃O₇) met een kritische temperatuur van ongeveer 92 Kelvin — de eerste supergeleider die werkte boven het kookpunt van vloeibare stikstof (77 Kelvin, oftewel -196°C). Dat maakte praktische toepassingen ineens een stuk realistischer.

In Essen (Duitsland) ging in 2014 het AmpaCity-project in bedrijf, een samenwerking van energiebedrijf RWE en kabelfabrikant Nexans: een supergeleidende kabel van ongeveer een kilometer lang, gebaseerd op bismut-cupraat (BSCCO), verving een conventionele hoogspanningsverbinding middenin de stad en transporteert sindsdien stroom met veel minder ruimtebeslag en verlies.

Op het gebied van kernfusie testte het Amerikaanse bedrijf Commonwealth Fusion Systems (een spin-off van MIT) in 2021 een magneetspoel gemaakt van cupraat-supergeleidende tape (het zogeheten REBCO-type, een variant op YBCO) die een magneetveld van 20 Tesla haalde — destijds een record voor dit type magneet, en een belangrijke bouwsteen voor hun geplande SPARC-fusiereactor.

Fabrikanten als American Superconductor (AMSC) in de Verenigde Staten en SuperPower/Furukawa in Japan produceren al jaren commercieel verkrijgbare 2G HTS-draad, die onder meer wordt gebruikt in demonstratieprojecten voor stroomkabels, generatoren en foutstroombegrenzers (apparaten die stroomnetten beschermen tegen kortsluitpieken).

Hoe ver is de techniek?

Cupraatsupergeleiders zijn geen toekomstmuziek meer, maar ook nog geen alledaagse technologie. Ze worden al commercieel toegepast in specifieke niches: onderzoeksmagneten, enkele stadskabelprojecten en experimentele fusiemagneten. Voor massatoepassing, zoals het vervangen van het gewone elektriciteitsnet, zijn ze nog te duur en technisch te lastig te produceren op grote schaal.

De belangrijkste obstakels zijn de broosheid van het keramische materiaal, de kosten van productie van lange, uniforme 2G-draad, en de noodzaak om alsnog te koelen — weliswaar met goedkopere stikstof dan helium, maar koeling blijft altijd een extra kostenpost en faalrisico vergeleken met gewone koperdraad op kamertemperatuur.

Een tweede spoor van onderzoek richt zich op het vinden van materialen die bij nog hogere temperaturen supergeleiden, idealiter bij kamertemperatuur. Er zijn de afgelopen jaren spraakmakende claims geweest over kamertemperatuursupergeleiders (vaak hydride-materialen onder extreem hoge druk, geen cupraten), maar verscheidene van die claims zijn na kritisch nader onderzoek weer ingetrokken of niet reproduceerbaar gebleken. Voor cupraten zelf ligt het record voor de kritische temperatuur bij normale druk rond de 133 tot 138 Kelvin (ongeveer -138°C), gevonden in kwik-bariumcalciumkoperoxide begin jaren negentig, en dat record staat al decennialang overeind.

Kortom: de techniek is volwassen genoeg voor gerichte, kapitaalintensieve toepassingen zoals fusiemagneten en stedelijke stroomkabels, maar een doorbraak naar breed, betaalbaar gebruik laat nog op zich wachten, en niemand kan met zekerheid zeggen wanneer — of of — die komt.

Wie werken eraan?

Het onderzoek naar cupraten is sinds 1986 wereldwijd verspreid. In de Verenigde Staten spelen bedrijven als American Superconductor (AMSC) en onderzoeksinstellingen zoals het National High Magnetic Field Laboratory een grote rol, samen met universiteiten als MIT, waar Commonwealth Fusion Systems uit is voortgekomen.

In Japan zijn Furukawa Electric (met dochterbedrijf SuperPower) en Fujikura belangrijke producenten van supergeleidende draad, terwijl Japanse universiteiten en het Superconductivity Research Laboratory al sinds de jaren tachtig fundamenteel onderzoek doen.

In Duitsland en de bredere Europese Unie zijn onder meer het Karlsruher Institut für Technologie en energiebedrijf RWE (via het AmpaCity-project) actief, vaak met Europese subsidieprogramma's. China investeert eveneens fors, met onderzoeksgroepen aan onder meer de Chinese Academy of Sciences en groeiende binnenlandse productie van supergeleidende draad voor zowel energienetten als fusieonderzoek. Ook Rusland (via bedrijven als SuperOx) is actief op het gebied van 2G HTS-draadproductie.