Prozesstechnik für Supraleiter-Fertigung
Die zweite Generation der Hochtemperatur-Supraleiter reduziert die Preise
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Auf stabile Prozesse kommt es an
Die große Herausforderung besteht darin, den Produktionsprozess zu stabilisieren. Das ist keine leichte Aufgabe. Dazu ein Beispiel, die Flussverankerung (Pinning). Das Problem, das es zu lösen gilt: In das supraleitende Material dringen Magnetfeldlinien ein. Wenn Strom fließt, bewegen sich die Flusslinien aufgrund der Lorentz-Kraft. Wenn das geschieht, ist kein verlustfreier Stromtransport möglich. Also versucht man, die Flusslinien im supraleitenden Material »festzunageln«, so dass sie sich trotz Lorentz-Kraft nicht bewegen können.
Dies gelingt tatsächlich, indem man winzige, normalleitende Strukturen, sogenannte Pinning-Zentren, kontrolliert in das Material einbringt, die Abmessungen im nm-Bereich aufweisen. Damit lässt sich die Stromtragfähigkeit im Magnetfeld drastisch erhöhen. Ein Weg, dies zu erreichen, besteht darin, das HTSL-Material mit Zr zu dotieren. Es bilden sich dann 5 nm große BaZrO3-Nanopartikel im Material im Abstand von rund 35 nm. Wie die Universität Houston und Superpower zeigen konnten, verbessert sich damit die Stromtragfähigkeit bei 4,2 K um den Faktor 2.
Ein weiteres Problem sind die Wechselstromverluste. Im Supraleiter werden sie einmal durch Hystereseverluste hervorgerufen, die von der Breite des Leiters abhängig sind, sowie durch Wirbelstromverluste wegen der Ag- und Cu-Schichten. Durch Strukturierung der HTS-Schicht in Filamente kann man dem begegnen. .
Diese Verluste lassen sich in einem ersten Schritt dadurch verringern, dass man die YBCO Bandleiter in separierte Filamente strukturiert. Weil dann die Filamente parallel liegen, treten aber weiterhin Koppelverluste auf. Den Koppelverlusten könnte man begegnen, indem man sie verdrillt. Das ließe sich über Roebel-Kabel realisieren. Allerdings sind das alles erst Versuche im Labor, solche Leiter lassen sich noch nicht in größeren Mengen herstellen.
Im Labor arbeiten die Entwickler auch daran, Supraleiter der 2. Generation in runde Querschnitte zu bringen, die weit günstigere Eigenschaften aufweisen würden als die Bandleiter. Auch dieser Ansatz ist aber noch weit vom Einsatz in der Praxis entfernt.
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