Gut gewickelt

US-Forscher haben erstmals hauchdünne, biegsame Kabel aus Hochtemperatur-Supraleitern gefertigt, die hohe magnetische Feldstärken bei geringem Energieverbrauch versprechen.

Seit ihrer Entdeckung vor einem Vierteljahrhundert setzt die Forschung große Hoffnungen in Hochtemperatur-Supraleiter (HTS). Abgesehen von messtechnischen Anwendungen zeigen sich die Materialien bis heute jedoch recht widerspenstig. Forscher der US-Standardisierungsbehörde NIST haben nun ein Verfahren gefunden, aus HTS extrem dünne Stromkabel zu fertigen. Obwohl ihr Durchmesser zehnmal geringer ist als der von bereits existierenden Supraleiter-Kabeln, können die Demonstrationsobjekte die gleiche Strommenge weiterleiten.

Solche HTS-Kabel könnten eine äußerst kompakte Alternative zu Kupferkabeln werden, die bis zu 95 Prozent Gewicht einspare, hofft Projektleiter Danko van der Laan. Supraleitende Magnete wiederum, die aus ihnen gefertigt werden, könnten viel höhere magnetische Feldstärken erreichen als mit heutigen technischen Mitteln möglich – was nicht nur für hochenergetische physikalische Experimente interessant wäre, sondern auch für die Medizin.

Supraleiter haben die ungewöhnliche Eigenschaft, Strom unterhalb von geeigneten Temperaturen nahezu verlustfrei zu leiten. Während die für metallische Supraleiter zwischen 0,01 und 23 Kelvin liegen, also in einer Region nahe dem absoluten Nullpunkt, zeigen einige keramische Materialien den Effekt bei vergleichsweise „hohen“ Temperaturen von bis zu 138 Kelvin (-135,5 Grad Celsius). Ab 70 Kelvin lässt sich das Material mit flüssigem Stickstoff oder gasförmigem Helium kühlen, was den Kühlaufwand deutlich reduziert.

Bislang werden die tiefgekühlten Leitungen aus supraleitenden „Bändern“ gefertigt, die man um einen – hohlen oder massiven – Metallkern wickelt. Die Bänder bestehen aus metallischen Streifen, die mit einer Mikrometer-dicken Supraleiterschicht und einer isolierenden Keramikschicht überzogen sind. Bei einem Durchmesser von sieben Zentimetern können etwa Wismut-basierte Kabel 3000 Ampere transportieren. Zum Vergleich: Das ist mehr als die doppelte Strommenge, die durch die Oberleitungen der Bahn fließt.

Eines der neuen Kabel der NIST-Gruppe von van der Laan bringt es nun, auf 76 Kelvin gekühlt, bei einem Durchmesser von nur 7,5 Millimetern auf eine Stromstärke von 2800 Ampere. Der Vorteil ist, dass dank der geringen Dicke nun erstmals Supraleiter-Kabelwicklungen von nur 12,5 Zentimetern Durchmesser möglich werden.

Das NIST-Kabel enthält einen Kupferkern, der von einer Nylon-Isolierung umgeben ist. Darum wickeln die Forscher dann Bänder aus dem HTS Gadolinium-Barium-Kupfer, die abwechselnd links- und rechtsherum ausgerichtet sind.

Trotz der schweren Kupferkomponente sei das neue Kabel ein echtes Leichtgewicht, sagt van der Laan. Herkömmliche Supraleiter-Kabel hingegen seien so schwer, dass sie unterirdisch verlegt werden müssen. Mit der Neuentwicklung könnte es irgendwann möglich sein, Supraleiterkabel auch als Oberleitungen zu nutzen, so van der Laan.

Venkat Selvamanickam, Ingenieur und HTS-Experte an der University of Houston, ist von der geringen Dicke der neuen Kabel überrascht. „Bislang hatte man bezweifelt, dass sich supraleitende Bänder so eng um einen Kern wickeln lassen, ohne dass die Stromleitungskapazität Schaden nimmt“, sagt Selvamanickam.

Als exzellente Ingenieursarbeit, die die bekannten Verfahren perfekt ausgereizt habe, lobt denn auch David Larbalestier vom National High Magnetic Field Laboratory die NIST-Konstruktion. Er glaubt aber nicht, dass die neuen Kabel schon bald in Stromleitungen eingesetzt würden. „Natürlich träumen viele davon, die Stromindustrie mit Hochtemperatur-Supraleitern zu revolutionieren“, sagt Larbalestier. „Die Branche ist aber recht konservativ und hat bisher keine Erfahrungen mit den nötigen Kühltechnologien“.

Der eigentliche Milliardenmarkt seien Magnete. Heutige Supraleiter-Magnete bestehen aus Spulen mit Niob-Titan-Drähten und ermöglichen Feldstärken von bis zu 25 Tesla. HSTL-Kabel könnten deutlich mehr schaffen und zugleich weniger Energie für die Kühlung verbrauchen.

Solche leistungsfähigen, effizienten Magnete könnten in Zukunft an Teilchenbeschleunigern wie dem LHC am CERN oder für Protonenstrahlquellen in der Krebstherapie eingesetzt werden. Aber auch das US-Militär hat schon Interesse bekundet: Dort hofft man, langfristig die schweren Kupferkabel in Flugzeugen und Kriegsschiffen zu ersetzen. „Mit Supraleiter-Kabeln geht das aber nur, wenn sie durch die vorhandenen Kabelschächte passen“, sagt Danko van der Laan, der dem Militär demnächst einen Prototyp präsentieren will.

Das Paper:

Van der Laan, Danko et al.: „Compact GdBa₂Cu₃O_7–δ coated conductor cables for electric power transmission and magnet applications“, Superconductor Science and Technology, Vol. 24, Online-Veröffentlichung 10.2.2011.

(nbo)