Prozesstechnik für Supraleiter-Fertigung
Die zweite Generation der Hochtemperatur-Supraleiter reduziert die Preise
Findige Prozesstechniker arbeiten mit Hochdruck daran, die Kosten für die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) der zweiten Generation kräftig zu reduzieren. Firmen wie Bruker, deutsche nanoschicht und Theva bauen bereits ihre Fertigungskapazitäten aus. Erschwingliche Supraleiter rücken in greifbare Nähe.
»Es hat zwar lange gedauert, aber wir sind jetzt so weit: Supraleiter mit hoher Stromtragfähigkeit mit Batch-Längen von Kilometern lassen sich jetzt realisieren«, sagt Prof. Bernhard Holzapfel vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden (IFW).
Um die hohen Stromdichten zu erreichen, muss das Supraleitermaterial (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid, kurz YBCO) biaxial strukturiert sein, also eine nahezu einkristalline Struktur aufweisen.
Dazu ein kurzer Blick auf den Aufbau eines Bandleiters der zweiten Generation. Er besteht aus dem Metallband, auf dem mindestens eine Pufferschicht, darauf das supraleitende Material selber und darüber Schutzschichten abgeschieden werden. Damit das supraleitende Material die gewünschten Eigenschaften erhält, muss es auf eine biaxial textuierte Schicht aufgebracht werden.
Dazu gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: erstens lässt sich die Textur schon im Metallband, etwa über Kaltverformung und eine anschließende Wärmebehandlung herstellen. Über die epitaktischen Beschichtungsverfahren überträgt sich die Textur auf die Pufferschichten und die supraleitende Schicht. Diesen Weg verfolgen Hersteller wie AMSC und die aus Zenergy Power hervorgegangene deutsche nanoschicht in Rheinbach. Texturierte Substrate produziert derzeit beispielsweise die Firma Evico, eine Ausgründung des IFW Dresden. Die patentierten Bänder auf Ni-Basis können 10 – 40 mm breit und mehrere hundert Meter lang sein. Gemeinsam mit Thyssen Krupp VdM erfolgt aktuell die industrielle Skalierung hin zu breiteren, längeren und gleichzeitig kostengünstigeren Bändern.
Der zweite Weg, den Hersteller wie Superpower, Theva und Bruker beschreiten, besteht darin, auf einem untexturiertes Metallband über ein Ionenstrahlverfahren eine Textur in der Pufferschicht zu erzeugen.
Mit beiden Ansätzenen ist es gelungen, Leiter herzustellen, die eine Stromtragfähigkeit von 250 A/cm bei 77 K erreichen. Im Labor wurden sogar schon 600 A/cm und mehr gemessen.
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