Seite 2: Der Strom, der aus der Kälte kam

Inhaltsverzeichnis

SELBSTGEBAUTE SUPERDRÄHTE

Bislang bestehen supraleitende Drähte aus einer komplex aufgebauten Keramik namens Wismut-Strontium-Kalzium- Kupferoxid, kurz BSCCO. "Sie haben heute einen recht ordentlichen Fertigungsstand mit ausreichender Qualität erreicht", sagt Nick. "Aber im Moment ist das Material mit rund 15 Euro pro Meter fast prohibitiv teuer, denn in einem Motor stecken mehrere Kilometer Draht." Der hohe Preis hat seinen Grund: Die Fertigung ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess. Im Forschungszentrum Karlsruhe stellen sich Wissenschaftler wie Wilfried Goldacker bei Bedarf ihre Supraleiter selbst her. Ihren Anfang nimmt diese Prozedur in einem Raum, der mit seinen wuchtigen Pressen und einer Streckbank mitsamt riesiger Metallkette anmutet wie eine Schlosserei. Die Maschinen sind dazu bestimmt, ein mit Keramikpulver gefülltes Rohr aus einer Silbermagnesiumlegierung zu dehnen und in die Länge zu ziehen. "Im Prinzip ist das rohe Gewalt", sagt Goldacker. Die Hämmermaschine haut das anfangs armdicke Rohr stufenweise immer dünner, die Fünf-Meter-Streckbank zieht es zu einem Draht. "Wenn der Draht eine Dicke von knapp zwei Millimetern hat, wird er zu einem Band gewalzt", erläutert Goldacker. "Nur in der Bandform kann die Keramik ihre Kristallstruktur so ausrichten, dass sie supraleitend wird."

Gewalzt wird in einem anderen Raum, dem Walzlabor. Goldacker: "Unsere Walzen haben eine sehr glatte, hochpolierte Oberfläche, damit sie möglichst keine Defekte ins Band drücken." Von hinten spult eine Rolle den Draht ab, die Walzen pressen ihn auf ein vier Millimeter breites und einen Viertel Millimeter dickes Band zusammen, das von einer zweiten Rolle aufgewickelt wird. Goldacker nimmt ein Stückchen Rohband zwischen die Finger, es sieht aus wie eine Bandnudel: "Jetzt müssen wir es glühen." Erst durch Hitze bildet sich das Pulver, ein Oxidgemisch, chemisch um und wird zu jenem komplexen Kristallgefüge, das den Strom verlustfrei leitet. Der Glühofen ist ein blau lackiertes, kühlschrankgroßes Aggregat; die Temperatur in seinem Inneren lässt sich auf ein bis zwei Grad genau einstellen, und sie ist überall im Ofen konstant. Alle Wände sind separat heiz- und regelbar, der Sollwert liegt knapp über 800 Grad. Im Inneren herrscht eine definierte Gasatmosphäre: Argon mit einer Beimischung von acht Prozent Sauerstoff, der während des Backens durch das für ihn durchlässige Silber hindurch diffundiert und in den Kristall eingebaut wird. Dazu werden die Drähte bis zu 200 Stunden lang erhitzt und zwischendurch für einen weiteren Walzvorgang aus dem Ofen herausgeholt. Nach dieser Prozedur ist der Supraleiter fertig. In der Industrie läuft die Fertigung im Prinzip genauso wie im Forschungslabor – nur mit größeren Streckbänken, Walzanlagen und Glühöfen.

Eine aufwendige Angelegenheit, doch die Hersteller arbeiten an einer neuen, günstigeren Fertigungsmethode: Dabei beschichten sie ein Nickelsubstrat mit hauchdünnen Lagen des Supraleiters Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO). Zwischen Nickel und YBCO wird eine Schutzschicht platziert, obendrauf kommt eine Lage Stabilisator. Das Ergebnis sind supraleitende Folien, die zu Drähten geschnitten werden können. Ziel ist, das Supraleiter-Sandwich ausschließlich mit kostengünstigen chemischen Beschichtungsverfahren zu produzieren, ohne ein teures Aufdampfverfahren im Vakuum. "Im kleinen Maßstab funktionieren die rein chemischen Verfahren bereits", sagt Goldacker. "Aber sie taugen noch nicht für die Produktion kilometerlanger Drähte."

Der Navy-Ausrüster American Superconductor steht kurz davor, YBCO-Drähte mit einer Länge von immerhin 100 Metern zu fertigen. "Der Produktionsprozess läuft nicht stufenweise ab, sondern ist ein einziger, kontinuierlicher Vorgang von Rolle zu Rolle", sagt Lawrence Masur, Manager bei dem Unternehmen. "Und da wir auf das teure, sauerstoffdurchlässige Silber verzichten können, sind die Materialien deutlich billiger. Deshalb hoffen wir, die Kosten auf ein Fünftel des Preises der heutigen Wismut-Supraleiter reduzieren zu können." Auf dem Markt soll der Low-Cost-Supraleiter 2007 erscheinen. "Das wird die Aktivitäten in der Industrie drastisch erhöhen", sagt Masur voraus.

Das scheint auch nötig. Bis jetzt haben Hochtemperatur- Supraleiter nur sporadisch den Sprung auf den Markt geschafft: Im Flächenland USA sorgen in einigen Regionen supraleitende Handy-Basisstationen der Firma Superconductor Technologies für mobilen Empfang. Und die "Tennessee Valley Authority" setzt in ihrem Stromnetz supraleitende Spannungsregler ein. "Sie stabilisieren die elektrische Spannung und verhalten sich bei Spannungsspitzen zuverlässiger als gewöhnliche Regler", sagt Masur. Insbesondere können sie sehr schnell auf Spannungsschwankungen reagieren.

KERAMIKKABEL UNTER MANHATTAN

Produkte gibt es bislang kaum – Ideen, Projekte und Prototypen hingegen viele. Da ist zum Beispiel der supraleitende Strombegrenzer der Nexans Superconductors GmbH aus Hürth: eine Stahltonne groß wie ein Basketball-Profi, oben ragen armdicke Schläuche heraus und enden in einem blauen Metallgestell mit wuchtigen Elektroaggregaten. Das Ungetüm ist eine Sicherung – wenn auch keine für den Reihenhauskeller, sondern für das 10-Kilovolt-Mittelspannungsnetz. Es soll künftig bei den Energieversorgern verhindern, dass ein Kurzschluss das Stromnetz lahm legt. Denn wenn der Strom unvermittelt stark ansteigt, verlieren Supraleiter urplötzlich ihre magische Fähigkeit. Der Grund: Der durch den Leiter fließende Strom erzeugt laut Induktionsgesetz ein Magnetfeld. Ab einem bestimmten Wert werden die Magnetfelder so stark, dass der Supraleiter normalleitend wird – und bei einem Kurzschluss entstehen enorme Ströme. Der vom Magnetfeld außer Gefecht gesetzte Supraleiter setzt dann dem dramatisch anschwellenden Strom plötzlich einen starken Widerstand entgegen, der Stromfluss ebbt ab, das Netz bleibt unbeschadet.

Und im Gegensatz zu konventionellen Strombegrenzern aus großen Drosselspulen schaltet sich das Gerät nach einem Kurzschluss innerhalb von zehn Sekunden von selbst wieder ein, weil das Magnetfeld abnimmt. "Da muss keiner die Sicherung wieder reindrehen oder erneuern", sagt Nexans-Mitarbeiter Frank Breuer.

Von April 2004 an war die Megasicherung ein Jahr lang in der Nähe von Siegen im Netz. Einen echten Kurzschluss, verursacht durch umstürzende Bäume oder Kabel trennende Bagger, musste sie in dieser Zeit nicht managen – so einen Zwischenfall gibt es in Deutschland im Mittel nur alle vier Jahre. "Aber die Labortests verliefen erfolgreich, und wir rechnen damit, in zwei Jahren kommerziell zu werden", sagt Breuer. Langfristiges Ziel sei ein Begrenzer für das 110-Kilovolt-Hochspannungsnetz. "Hier gibt es keine konventionelle Lösung", betont Breuer. "Die Netze sind so ausgelegt, dass sie die Kurzschlussströme von 80 Kiloampere aushalten." Das bedeutet: Um es vor Kurzschlüssen zu wappnen, ist das heutige Hochspannungsnetz größer dimensioniert, als es eigentlich nötig wäre. Mit Hilfe eines supraleitenden Begrenzers könnte man die bestehenden Netze stärker belasten oder neue Netze kostengünstiger bauen.

Auch das erste Stromkabelprojekt läuft an – und zwar mitten in Manhattan: Das 30 Millionen Dollar teure Keramikkabel misst rund 660 Meter, verbindet in einem unterirdischen Kabelkanal Long Island mit den Elektrizitätswerken von New Jersey und überbrückt einen derzeitigen Engpass im Leitungssystem. Hier sind die supraleitenden Bänder in Spiralen auf ein mit Flüssigstickstoff geflutetes Wellrohr aufgebracht. Dieses ist umgeben von zwei größeren, ineinander geschachtelten Edelstahl-Wellrohren, zwischen denen ein wärmeisolierendes Vakuum herrscht – ein komplexer Aufbau, der angesichts der höheren Leitfähigkeit allerdings immer noch Platz spart: "Ein entsprechendes Kupferkabel hätte eine dreifache Querschnittsfläche, es wäre beindick statt armdick", sagt Jürgen Kellers von der Firma Trithor in Rheinbach nahe Bonn. "Es lohnt sich allerdings nicht als Ersatz für eine Hochspannungsleitung, sondern nur für Bereiche, in denen ansonsten die Erdbauarbeiten sehr aufwendig wären."

Denn wollte man in Manhattan ein zu klein gewordenes Untergrundkabel durch ein stärkeres ersetzen, müsste man den Kabelkanal mit Schaufel und Bagger vergrößern - ein höchst kostspieliges Unterfangen in der Mega-Metropole. "Mit Hochtemperatur-Supraleitern können Sie dort, wo der Engpass entsteht, das alte Kabel herausziehen, ein neues, gleich dickes Kabel einziehen und die drei- bis fünffache Transportkapazität erreichen", erklärt Kellers. Der flächendeckende Ersatz von normalen Stromleitungen durch Supraleiter werde wohl noch lange Zeit eine Zukunftsvision bleiben. Aber für Projekte mit ansonsten hohen Baukosten lohne sich der Austausch auf jeden Fall.