Coole Kabel

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Keramische Supraleiter leiten Strom ohne Verluste. Nach langen Jahren der Entwicklung werden sie nun allmählich marktreif.

Die Wanne ist mit Plexiglas abgedeckt. Unter der Scheibe wachsen Eisblumen, an den Seiten kriecht Nebel heraus. "Flüssigstickstoff", erklärt der Physiker Wil-fried Goldacker. "Er ist minus 200 Grad kalt, aber mit einigen Vorsichtsmaßnahmen gut handhabbar." Die frostige Spezialwanne steht in einer Halle des Karlsruher Instituts für Technologie. In ihr werden Komponenten für ein ehrgeiziges Projekt getestet: "AmpaCity", das längste supraleitende Kabel der Welt.

Ab nächstem Frühjahr verlegt es ein Konsortium aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen mitten in der Innenstadt von Essen. Das symbolträchtige Pilotprojekt soll der Anwendung der Supraleitung endlich zu ihrem ersehnten Durchbruch verhelfen.

Die Supraleitung ist ein ebenso faszinierender wie wirtschaftlich bedeutender Effekt: Kühlt man bestimmte Materialien auf sehr tiefe Temperaturen ab, verschwindet ihr elektrischer Widerstand komplett – Strom fließt vollkommen ohne Verluste. Damit ließen sich theoretisch extrem effiziente Stromnetze bauen oder kompakte Motoren mit riesiger Leistung. Lange kannten die Experten das bizarre Phänomen allerdings nur von wenigen Metallen wie Niob. Dort zeigt es sich ausschließlich bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt, bei rund minus 273 Grad Celsius. Als Kühlmittel dient teures Flüssighelium. Nicht zuletzt deshalb finden sich die metallenen Supraleiter bis heute nur in Spezialanwendungen, etwa Magneten für Kernspintomografen oder Teilchenbeschleuniger.

Doch 1986 entdeckten zwei IBM-Physiker überraschend eine neue Klasse von Supraleitern – Keramiken, die bei höheren Temperaturen als Niob supraleitend werden. Ihnen reichen minus 200 Grad Celsius. Diese Temperatur ist mit Flüssigstickstoff zu erreichen – und macht die Technologie sehr viel einfacher und vor allem billiger. Allerdings sind diese Hochtemperatur-Supraleiter so spröde und brüchig, dass sie für Anwendungen lange völlig unbrauchbar waren. Die Experten mussten sich erst raffinierte Kniffe einfallen lassen, um die Materialien überhaupt zu Drähten verarbeiten zu können. Momentan greifen viele Hersteller zu feinen Filamenten einer Wismut-Keramik, die zur Stabilisierung in Silber eingebettet ist. Dadurch sind diese Kabel jedoch rund fünfmal teuer als gleichwertige Kupferstrippen. Nun, mehr als 25 Jahre nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung, scheint den Materialforschern aber ein Durchbruch gelungen zu sein: Sie verwenden eine Yttrium-Barium-Keramik, die – per Bedampfung oder Druckverfahren – hauchfein auf ein dünnes Band aus Nickel oder Edelstahl aufgetragen wird. Da die Grundmaterialien nicht viel kosten, sind diese Verfahren potenziell preisgünstig – vorausgesetzt, man hat den Produktionsprozess im Griff.

Denn schon "ein kleiner Kratzer oder ein winziges Staubkorn kann reichen, und das Kabel hat einen Defekt, den man herausschneiden muss", sagt Werner Prusseit vom Industrieverband Supraleitung. In den letzten Jahren konnten die Hersteller ihre Verfahren jedoch deutlich verfeinern und zuverlässiger machen – der Ausschuss sank, die Qualität der Keramikkabel stieg.

Dass Supraleiter der zweiten Generation zurzeit dennoch teurer sind als die der ersten, silberhaltigen Generation, sieht die Industrie eher als Zeichen des Erfolges denn als Problem. "Der Bedarf ist in letzter Zeit stark gestiegen, und die weltweiten Produktionskapazitäten reichen nicht aus", sagt Traute Lehner vom US-Hersteller Superpower.

Denn immer mehr Industrieunternehmen und Energieversorger entwickeln supraleitende Komponenten oder erproben sie gar bereits in Feldtests: Supraleitende Elektromotoren, die Schiffe, Fabrikanlagen und Autos antreiben, kompakte Keramik-Generatoren als Basis für leistungsstärkere Windturbinen und flexiblere Kraftwerke, Strombegrenzer, die das Netz der Zukunft absichern – und natürlich auch supraleitende Kabel, die Platz sparen und Verluste im Stromnetz reduzieren sollen.

"In einem Kupferkabel gehen bis zu fünf Prozent des Stroms verloren, bei Supraleitern ist es nur etwa ein halbes Prozent", sagt Andreas Breuer vom Energieversorger RWE Deutschland, einem der drei Projektpartner. Das entscheidende Plus der neuen Kabel aber ist ein anderes: Obwohl ein großer Teil des Supraleitungskabels mit Kühlkanälen und Wärmeisolierung gefüllt ist, kann das Keramikkabel bei gleichem Querschnitt und gleicher Spannung zehnmal mehr Strom transportieren als ein Kupferkabel – oder aber denselben Strom bei nur einem Zehntel der Spannung.

Und das ist für die Energieversorger eine verlockende Aussicht: Denn statt eine komplexe, aufwendige 110-kV-Hochspannungsleitung bis in die Stadtzentren legen zu müssen, können sie dieselbe Leistung mit 10-kV-Mittelspannung übertragen – was deutlich billiger ist. "Das Umspannwerk einer Hochspannungsleitung benötigt den Platz einer Doppelturnhalle", erläutert Breuer. "Bei Mittelspannung passt es in eine Garage."