Wie können wir Spitzenforschung vorantreiben und dabei weniger Energie verbrauchen? Die Wissenschaftler des CERN arbeiten an innovativen Lösungen, und Supraleitung ist eine der Schlüsselkomponenten.
Ein Team hat kürzlich erfolgreich eine Demonstrations-Magnetspule getestet, die den Stromverbrauch bestimmter Experimente deutlich senken wird. Die Spule besteht aus supraleitenden Kabeln aus Magnesiumdiborid (MgB2), die in der Hochspannungsleitung zur Stromübertragung verwendet werden, die den High-Luminosity LHC (HL-LHC), den Nachfolger des LHC, mit Strom versorgen wird. Sie ist in einem magnetischen Joch aus kohlenstoffarmem Stahl montiert, das die Feldlinien in einer sogenannten superferrischen Konfiguration hält und konzentriert.
Dieser neuartige Magnet ist für das SHiP-Experiment vorgesehen, das sehr schwach wechselwirkende Teilchen detektieren soll und 2031 in Betrieb gehen soll. Einer der beiden Magnete des Detektors muss ein Feld von etwa 0,5 Tesla erzeugen. Das Feld ist von mittlerer Stärke, muss aber in einem riesigen Volumen von 6 Metern Höhe sowie 4 Metern Breite und Tiefe erzeugt werden. Ein normalleitender resistiver Elektromagnet hätte eine elektrische Leistung von über einem Megawatt und da er kontinuierlich betrieben werden müsste, wäre sein Stromverbrauch hoch.
Daher die Idee, einen Supraleiter zu verwenden, der Strom ohne Widerstand leitet und somit keinen Energieverlust durch Erwärmung verursacht. Dies ist das Prinzip hinter den LHC-Magneten. Sie basieren jedoch auf einer Niob-Titan-Legierung, die eine Abkühlung auf eine sehr niedrige Temperatur von -271 °C (2 Kelvin) erfordert. Dafür wird supraflüssiges Helium verwendet, das in einer komplexen kryogenen Anlage erzeugt wird.
Magnesiumdiboridkabel haben den Vorteil, dass sie bei -253 °C (20 Kelvin) supraleitend sind. Sie können mit gasförmigem Helium gekühlt werden und erfordern daher ein weniger komplexes kryogenes System, was zu einer besseren thermodynamischen Effizienz führt. Für Beschleunigermagnete wie die des LHC, die Felder von etwa 8 Tesla erzeugen, konnten sie nicht verwendet werden. Für einen großen Magneten mit einem moderaten Feld wie dem von SHiP sind sie jedoch geeignet.
Die im vergangenen September gebaute, 1 Meter lange Demonstrationsspule hat gerade erfolgreich Betriebstests bestanden, bei denen sie mit gasförmigem Helium auf Temperaturen von 20 bis 30 Kelvin gekühlt wurde. Obwohl noch viele Schritte zu absolvieren sind, bis der SHiP-Magnet fertig ist, sind dies vielversprechende Tests, die dieser Technologie sowohl am CERN als auch in der Industrie Perspektiven eröffnen.
„Ein solcher Magnet könnte bis zu 100-mal weniger Strom verbrauchen als ein gewöhnlicher Superferric-Magnet“, sagt Arnaud Devred, der das Projekt mit einem Team der Magnetgruppe des CERN durchführt. „Langfristig könnten wir zum Beispiel erwägen, bestimmte Magnete mit MgB2-Spulen nachzurüsten, um ihren Stromverbrauch zu senken. Dieses Projekt ist daher eine großartige Möglichkeit, die technologischen Entwicklungen für den HL-LHC vorzuführen.“
Die supraleitenden Verbindungen des HL-LHC stoßen auf großes Interesse, da sie Hochtemperatur-Supraleiter verwenden, deren großflächiger Einsatz in vielen Bereichen, auch in unserem Alltag, erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen würde. Dank dieser hochinnovativen Entwicklung kann der Anwendungsbereich dieser Technologie auf Elektromagnete ausgeweitet werden. Der SHiP-Spektrometermagnet könnte eine der ersten Anwendungen sein.