Team fertigt das leistungsstärkste supraleitende Drahtsegment der Welt

Unsere Energieversorgung der Zukunft hängt möglicherweise von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) ab. Die Fähigkeit dieser Technologie, Strom bei höheren Temperaturen als bei herkömmlichen Supraleitern ohne Widerstand zu leiten, könnte das Stromnetz revolutionieren und sogar die kommerzielle Kernfusion ermöglichen.

Zu solchen großtechnischen Anwendungen wird es jedoch erst kommen, wenn HTS-Drähte zu einem Preis-Leistungs-Verhältnis hergestellt werden können, das dem der im Baumarkt erhältlichen einfachen Kupferdrähte entspricht.

Die von der New University in Buffalo geleitete Forschung bringt uns diesem Ziel näher. In einer Studie, die in Naturkommunikationberichten Forscher, dass sie das leistungsstärkste HTS-Drahtsegment der Welt hergestellt und dabei das Preis-Leistungs-Verhältnis deutlich verbessert haben.

Ihre Drähte basieren auf dem Seltenerd-Barium-Kupferoxid (REBCO) und erreichen die höchste kritische Stromdichte und Fixierkraft – die Menge des transportierten elektrischen Stroms bzw. die Fähigkeit, magnetische Wirbel zu fixieren – die bislang für alle Magnetfelder und Temperaturen zwischen 5 und 77 Kelvin gemeldet wurden.

Dieser Temperaturbereich – minus 451 bis minus 321 Grad Fahrenheit – ist immer noch extrem kalt, aber höher als der absolute Nullpunkt, bei dem herkömmliche Supraleiter funktionieren.

„Diese Ergebnisse werden der Industrie dabei helfen, ihre Abscheidungs- und Herstellungsbedingungen weiter zu optimieren, um das Preis-Leistungs-Verhältnis bei kommerziellen beschichteten Leitern deutlich zu verbessern“, sagt der korrespondierende Autor der Studie, Amit Goyal, Ph.D., SUNY Distinguished Professor und SUNY Empire Innovation Professor in der Abteilung für Chemie- und Bioingenieurwesen der UB School of Engineering and Applied Sciences. „Um die zahlreichen geplanten groß angelegten Anwendungen von Supraleitern vollständig realisieren zu können, muss das Preis-Leistungs-Verhältnis günstiger werden.“

HTS-Drähte haben viele Anwendungen

Zu den Anwendungsgebieten von HTS-Drähten gehören die Energieerzeugung, etwa die Verdoppelung der von Offshore-Windkraftanlagen erzeugten Leistung, supraleitende magnetische Energiespeichersysteme im Netzmaßstab, Energieübertragung, etwa die verlustfreie Übertragung von Leistung in Hochstrom-Gleichstrom- und Wechselstrom-Übertragungsleitungen, und Energieeffizienz in Form von hocheffizienten supraleitenden Transformatoren, Motoren und Fehlerstrombegrenzern für das Netz.

Nur eine Nischenanwendung von HTS-Drähten – die kommerzielle Kernfusion – hat das Potenzial, unbegrenzt saubere Energie zu erzeugen. Allein in den letzten Jahren wurden weltweit etwa 20 private Unternehmen gegründet, die die kommerzielle Kernfusion entwickeln, und Milliarden von Dollar wurden allein in die Entwicklung von HTS-Drähten für diese Anwendung investiert.

Weitere Anwendungsgebiete von HTS-Drähten sind MRT-Techniken der nächsten Generation für die Medizin, Kernspinresonanztomographie (NMR) der nächsten Generation für die Arzneimittelforschung und Hochfeldmagnete für zahlreiche physikalische Anwendungen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Anwendungen im Verteidigungsbereich, beispielsweise bei der Entwicklung vollelektrischer Schiffe und vollelektrischer Flugzeuge.

Derzeit nutzen die meisten Unternehmen weltweit, die kilometerlange HTS-Hochleistungsdrähte herstellen, eine oder mehrere der zuvor von Goyal und seinem Team entwickelten technologischen Plattforminnovationen.

Dazu gehören die RABiTS-Technologie (Rolling Assisted Biaxially Textured Substrates), die LMOe-gestützte ionenstrahlunterstützte MgO-Abscheidungstechnologie (IBAD) und nanosäulenförmige Defekte in nanometergroßen Abständen durch simultane Phasentrennung und spannungsgesteuerte Selbstassemblierungstechnologie.

Weltrekord bei kritischer Stromdichte und Fixierkraft

In der vorliegenden Arbeit berichtet in NaturkommunikationGoyals Gruppe berichtet über supraleitende Drähte auf REBCO-Basis mit ultrahoher Leistung.

Bei 4,2 Kelvin leiteten die HTS-Drähte ohne äußeres Magnetfeld (auch Eigenfeld genannt) 190 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter, bei einem Magnetfeld von 7 Tesla waren es 90 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter.

Bei einer höheren Temperatur von 20 Kelvin – der vorgesehenen Anwendungstemperatur für die kommerzielle Kernfusion – könnten die Drähte immer noch ein Eigenfeld von über 150 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter und bei 7 Tesla über 60 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter übertragen.

In Bezug auf den kritischen Strom entspricht dies einem 4 Millimeter breiten Drahtsegment mit einem Suprastrom von 1.500 Ampere bei Eigenfeld und 700 Ampere bei 7 Tesla bei 4,2 Kelvin. Bei 20 Kelvin sind es 1.200 Ampere bei Eigenfeld und 500 Ampere bei 7 Tesla.

Es ist bemerkenswert, dass der HTS-Film des Teams trotz seiner Dicke von nur 0,2 Mikrometern einen Strom leiten kann, der mit dem von kommerziellen supraleitenden Drähten mit einem fast zehnmal dickeren HTS-Film vergleichbar ist.

Was die Fixierkraft betrifft, zeigten die Drähte eine starke Fähigkeit, magnetische Wirbel festzuhalten oder an ihrem Platz zu halten, mit Kräften von etwa 6,4 Teranewton pro Kubikmeter bei 4,2 Kelvin und etwa 4,2 Teranewton pro Kubikmeter bei 20 Kelvin, jeweils unter einem Magnetfeld von 7 Tesla.

Dies sind die höchsten Werte der kritischen Stromdichte und der Fixierkraft, die bislang für alle Magnetfelder und Betriebstemperaturen von 5 bis 77 Kelvin gemeldet wurden.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass bei optimierten, kommerziellen HTS-Drähten noch erhebliche Leistungssteigerungen und damit verbundene Kostensenkungen möglich sind“, sagt Goyal.

Wie Hochleistungsdraht hergestellt wurde

Das HTS-Drahtsegment wurde auf Substraten unter Verwendung der (IBAD) MgO-Technologie und unter Verwendung der nanosäulenförmigen Defekte mittels simultaner Phasentrennung und spannungsgetriebener Selbstassemblierungstechnologie hergestellt. Die Selbstassemblierungstechnologie ermöglicht die Eingliederung in isolierende oder nicht supraleitende Nanosäulen in nanoskaligen Abständen innerhalb des Supraleiters. Diese Nanodefekte können die supraleitenden Wirbel fixieren und so höhere Supraströme ermöglichen.

„Die hohe kritische Stromdichte wurde durch eine Kombination von Pinning-Effekten durch Seltenerddotierung, Sauerstoffpunktdefekte und isolierende Bariumzirkonat-Nanosäulen und deren Morphologien ermöglicht“, sagt Goyal.

„Der HTS-Film wurde unter Verwendung eines fortschrittlichen gepulsten Laserabscheidungssystems durch sorgfältige Kontrolle der Abscheidungsparameter hergestellt“, fügt Rohit Kumar hinzu, Postdoktorand im UB-Labor für heteroepitaktisches Wachstum von Funktionsmaterialien und -geräten, das von Goyal geleitet wird.

Bei der gepulsten Laserabscheidung trifft ein Laserstrahl auf ein Zielmaterial und trägt Material ab, das als Film auf einem entsprechend platzierten Substrat abgelagert wird.

„Wir haben außerdem mit den modernsten Mikroskopen am Canadian Center for Electron Microscopy der McMaster University Mikroskopie mit atomarer Auflösung durchgeführt, um Defekte im Nanosäulen- und Atommaßstab zu charakterisieren. Außerdem haben wir an der Università di Salerno in Italien einige Messungen der supraleitenden Eigenschaften durchgeführt“, sagt Goyal.