Hochtemperatursupraleiter (2)

Kritische Temperatur und kritische Stromdichte

Bis vor ungefähr 15 Jahren waren etwa 30 metallische Elemente und über tausend Legierungen und Verbindungen bekannt, die unterhalb einer kritischen Temperatur T_c in den supraleitenden Zustand übergehen. In diesem Zustand können sie elektrische Ströme bis zu einer kritischen Stromdichte J_c verlustlos transportieren. Wenn die Ströme diesen Wert J_c überschreiten, dann wird der Supraleiter zum Normalleiter. Alle T_c-Werte der bis dahin bekannten Supraleiter lagen unterhalb -250 °C oder 23 K. Diese Supraleiter werden heute als Tieftemperatursupraleiter (TTSL) bezeichnet. Die Entdeckung der Supraleitung in Ba-La-Cu-O-Verbindungen (Barium-Lanthan-Kupferoxid) durch Alex Müller und Georg Bednorz 1986 (Nobelpreis 1987) führte in kürzester Zeit dazu, dass zahlreiche Hochtemperatursupraleiter (HTSL) gefunden wurden, deren kritische Temperaturen z. T. mehr als 100 K über denen der TTSL liegen. Die bisher höchsten T_c-Werte unter Normaldruck wurden mit 133 K bzw. 135 K von A. Schilling und Mitarbeitern bzw. C. W. Chu und Mitarbeitern an Hg-Ba-Ca-Cu-O-Verbindungen gemessen. Ein Teil der über 50 heute bekannten HTSL weisen T_c-Werte auf, die über der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs (77 K oder -196 °C) liegen. Dadurch werden neue technische Anwendungen der Supraleitung möglich, denn die Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist 50- bis 100-mal billiger als die mit flüssigem Helium, mit dem die TTSL gekühlt werden müssen.

Flussschlauchgitter im Supraleiter

Bildbeschreibung:
Flussschlauchgitter im Supraleiter. B bezeichnet das äußere Magnetfeld, F die Lorentz-Kraft, die der Transportstrom I im äußeren Magnetfeld B auf die Flussschläuche ausübt. Die Magnetfeldverteilung im Flussschlauch ist durch die Schraffur angedeutet. (Nach W. Buckel)

Für Anwendungen der HTSL in der Energietechnik ist eine hohe kritische Stromdichte J_c wichtig, mit der ein Supraleiter belastet werden kann, ohne normalleitend zu werden. J_c hängt vom Magnetfeld B ab, dem der Supraleiter ausgesetzt ist. Das J_c(B)-Verhalten eines Supraleiters wird entscheidend von seiner Gitterstruktur und seinem Gefüge geprägt. Die HTSL gehören zu den Supraleitern 2. Art, die dadurch gekennzeichnet sind, dass unterhalb einer kritischen Feldstärke B_c1 das Innere des Supraleiters durch supraleitende Oberflächenströme vollständig gegen Magnetfelder abgeschirmt wird, während oberhalb B_c1 ein Magnetfeld in den Supraleiter eindringt. Der magnetische Fluss, der den Supraleiter dann durchsetzt, ist in einzelne Flussquanten aufgeteilt, die als Flussschläuche in einem Gitter angeordnet sind (s. Abb. 1).

Flussschläuche und ihre Verankerung

Kristallstruktur von Bi2Sr2Ca2Cu3O10-x

Bildbeschreibung:
Schematische Darstellung der Kristallstruktur von Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10-x. Die CuO₂-Ebenen sind durch die roten Rauten und die Grundflächen der roten Pyramiden angedeutet, dazwischen Kalzium (blau), Strontiumoxid (gelb) und Wismutoxid (grün-weiß). (Nach H. Shaked u. a.)

Während sich ein Flussschlauch in einem TTSL über viele Elementarzellen des Kristallgitters erstreckt, sind die Abmessungen der Flussschläuche in einem HTSL etwa hundertmal kleiner. Ferner ist für eine Reihe von HTSL ein weiterer Unterschied charakteristisch, der anhand der besonderen Gitterstruktur erklärt werden kann. Beispielhaft für die HTSL ist in Abb. 2 das Elementargitter der Verbindung Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (Bi-2223) dargestellt. Die eingezeichneten CuO₂-Ebenen sind die für die Ausbildung der Supraleitung entscheidenden Strukturelemente. Die zwischen diesen supraleitenden Ebenen angeordneten Erdalkalioxid- und Wismutoxid-Ebenen wirken als "Isolatorschichten". Aus diesem Grunde besteht zwischen den benachbarten CuO2-Ebenen nur eine schwache supraleitende Kopplung, wodurch der Stromtransport senkrecht zu den Ebenen erschwert wird. Dies hat zur Folge, dass in vielen HTSL die supraleitenden Eigenschaften stark richtungsabhängig oder anisotrop sind und die Supraleitung einen quasi-zweidimensionalen Charakter hat. Deshalb zerfallen die magnetischen Flussschläuche in zweidimensionale Flusswirbel oder pancake vortices ("Pfannkuchen-Wirbel"), die in den CuO₂-Ebenen liegen und nur schwach supraleitend miteinander gekoppelt sind.

Fließt ein Transportstrom I durch den Supraleiter, so wirkt auf das Flussschlauchgitter eine Lorentz-Kraft F= B·I·L wobei L die Länge des Supraleiters bezeichnet (s. Abb. 1). Wenn diese Kraft die Flussschläuche in Bewegung setzen und ein Flussfließen verursachen kann, so fließt der elektrische Strom im Supraleiter nicht mehr verlustlos. Um dies zu vermeiden, müssen die Flussschläuche durch Verankerung oder Pinning an gezielt eingebrachten Gitterstörungen (Pinningzentren) an ihrer Bewegung gehindert werden. Die Flussschläuche halten sich bevorzugt an den Pinningzentren auf, da hier ihre Energie besonders niedrig ist. Deshalb erfordert das Losreißen der Flussschläuche von den Pinningzentren eine Kraft. Die Obergrenze der Stromdichte (J_c) wird erreicht, wenn die Lorentz-Kraft der Pinningkraft die Waage hält.

Das Pinning im HTSL ist noch unvollständig verstanden und deshalb Gegenstand intensiver Untersuchungen. Da das Flussschlauchgitter in pancake vortices zerfällt, die infolge ihrer geringen Abmessungen nur schwach an den Pinningzentren verankert sind, können schon relativ geringe auf die Vortices wirkende Kräfte Flussbewegungen verursachen. In stark anisotropen HTSL reicht bei Temperaturen in der Nähe von T_c bereits die Wärmebewegung aus, um ein Flussfließen oder Flusskriechen auszulösen. Ein verlustloser Stromtransport ist deshalb bei diesen Temperaturen auch ohne Einwirkung eines Magnetfeldes prinzipiell unmöglich.

HTSL-Drähte und -Bänder: eine technologische Herausforderung

Korngrenzen haben einen entscheidenden Einfluss auf die kritische Stromdichte J_c. Ähnlich wie die isolierenden Erdalkalioxid- und Wismutoxidebenen im Gitter des Bi₂Sr₂Ba₂Cu₃O₁₀ sind die wenigen Atomlagen einer Korngrenze Bereiche schwacher supraleitender Kopplung, wobei die Kopplungsstärke davon abhängt, wie stark sich die Ausrichtungen benachbarter Kristallite voneinander unterscheiden. So führen Korngrenzen zwischen Kristallen mit großem Orientierungsunterschied dazu, dass in einem HTSL insbesondere in magnetischen Feldern nur ein sehr schwacher Strom fließen kann. Deshalb muss bei der Herstellung von HTSL, die hohe kritische Stromdichten tragen sollen, darauf geachtet werden, dass eine weitgehend parallele Ausrichtung (Textur) der Kristallite erreicht wird. Zusätzlich müssen die CuO₂-Ebenen der supraleitenden Phase parallel zur Stromrichtung orientiert sein. Für die meisten Anwendungen in der Energietechnik ist es erforderlich, die HTSL in Form von Drähten oder Bändern in Längen von mehreren 100m herzustellen. Dies ist eine außerordentliche technologische Herausforderung, da alle HTSL-Verbindungen sehr spröde sind und für sich allein nicht zu zusammenhängenden Körpern geformt werden können.

Alle genannten Anforderungen konnten bisher nur für zwei Verbindungen erfüllt werden: Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (Bi-2212) und (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (Bi-2223). Um daraus supraleitende Bänder herzustellen, füllt man Pulver dieser Materialien in Silber- oder Silberlegierungsrohre. Die Pulver-Rohr-Verbunde werden durch Ziehen zu Drähten umgeformt, die in einem weiteren Silber- oder Silberlegierungsrohr gebündelt und in dieser Konfiguration zunächst ebenfalls zu einem Draht gezogen und schließlich zu einem Band flachgewalzt werden. Durch eine thermische (Bi-2212) bzw. thermomechanische Behandlung (Bi-2223) der Bänder wird ein dichtes, stark texturiertes Gefüge der supraleitenden Phase erzeugt. So werden Leiter hergestellt, die bis zu einem Kilometer lang sind und in denen über die gesamte Länge durchgehende, etwa 10 µm dicke supraleitende Filamente in einer Silbermatrix eingebettet sind. Ohne äußeres Magnetfeld können diese Leiter bei Temperaturen von 77 K Stromdichten (Stromstärke pro Gesamtquerschnitt des Leiters) von bis zu 16 kA/cm² verlustlos tragen.

Profil eines Magnetfeldes

Bildbeschreibung:
Profil des Magnetfeldes B im Innern einer schmelztexturierten YBCO-Probe mit großer Remanenz: In der supraleitenden Probe bleibt ein beträchtliches Magnetfeld eingefroren, nachdem das äußere Magnetfeld abgeschaltet wurde. (IFW, Dresden)

Ein wesentlicher Nachteil dieser Leiter ist, dass J_c schon in niedrigen Magnetfeldern stark abnimmt. Eine aussichtsreiche Alternative zu den Bi-Leitern ist die Verbindung YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO), da deren Eigenschaften deutlich weniger richtungsabhängig sind, folglich der magnetische Fluss besser verankert werden kann, und damit die Voraussetzung für eine höhere Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern gegeben ist. Leider gelingt es mit der oben beschriebenen Technologie nicht, stark texturierte Gefüge in YBCO-Leitern zu erzielen. Zur Herstellung geeigneter YBCO-Bänder ist ein Verfahren erfolgversprechend, das von einem weniger als 100 µm dünnen Metallband mit kubischer Kristallstruktur ausgeht, die ähnliche Gitterparameter wie das YBCO hat. In dem Band wird durch eine thermomechanische Behandlung die gewünschte Textur erzeugt. Auf das texturierte Band werden keramische Schichten und auf diesen wiederum eine YBCO-Schicht unter Bedingungen abgeschieden, die dazu führen, dass die Textur des Metallbandes auf die nachfolgenden Schichten übertragen wird. Einer YBCO-Schicht kann auch auf untexturierten Metallbändern die gewünschte Textur aufgeprägt werden. Dazu verdampft man das YBCO und lässt es sich aus der Gasphase auf dem Metallband abscheiden, während ein schräg auftreffender Ionenstrahl auf die sich bildende Schicht einwirkt. Als Abscheideverfahren kommen die Laserablation, das Sputtern, CVD-Verfahren (Gasphasenabscheidung) und neuerdings auch die chemische Abscheidung metallorganischer Verbindungen zur Anwendung. Amerikanische und japanische Gruppen haben Bänder von ein bis zwei Meter Länge mit einer supraleitenden Schicht hergestellt, in der Stromdichten von 200000 bis 1 Mio. A/cm² (bei 77 K, im Eigenfeld) erreicht wurden. Doch bis man Längen von 100 Meter und mehr erreicht, werden noch einige Jahre intensiver physikalischer und metallurgischer Forschung nötig sein.

Zunehmendes Interesse finden auch massive, korngrenzenfreie YBCO-Proben, die durch ein Schmelz-Kristallisationsverfahren hergestellt werden. Da in diesen Proben unterhalb T_c ein beträchtlicher magnetischer Fluss verankert werden kann, ist es möglich, supraleitende Magnete mit sehr hoher Remanenz herzustellen (s. Abb. 3). So ist es z. B. gelungen, einen supraleitenden Permanentmagneten mit einer Remanenz von 14,3 Tesla zu erzeugen, indem man ein YBCO-Verbundmaterial im Magnetfeld auf eine Temperatur von 23 K abgekühlt hat. In herkömmlichen Dauermagneten werden Remanenzwerte von lediglich 1,2 bis 1,5 Tesla erreicht.

Kabel, Transformatoren, Motoren, Strombegrenzer, Magnete, Lager..

Von allen konventionellen Betriebsmitteln der Energietechnik haben elektrische Energieübertragungskabel, Transformatoren und Motoren die besten Aussichten, dass in ihnen herkömmliche Technologie durch neue, auf der Basis von HTSL arbeitende ersetzt wird, oder sie zumindest durch Einführung supraleitender Bauteile effektiver und umweltfreundlicher gestaltet werden können. Ein weiterer erfolgversprechender Kandidat ist der Strombegrenzer, für den aber sehr wahrscheinlich keine supraleitenden Drähte oder Bänder, sondern andere Konstruktionsprinzipien auf der Basis von HTSL zur Anwendung gelangen werden.

Am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung supraleitender Energieübertragungskabel. Sie sollen helfen, die elektrischen Verluste zu verringern, die durch die Energieübertragung vom Energieerzeuger zum Verbraucher entstehen und gegenwärtig auf 7 bis 9 % geschätzt werden. Ersetzt man konventionelle unterirdische Übertragungskabel durch supraleitende Kabel, so könnte in den bestehenden Rohrtrassen eine drei- bis fünffach größere elektrische Leistung übertragen werden. So ließe sich auch in Zukunft einem steigenden Energiebedarf leicht Rechnung tragen. Anderenfalls müsste neues Land für die Verlegung weiterer konventioneller Kabel erschlossen werden, da die Leistungsgrenze der meisten bestehenden Kabel erreicht ist. Auch in dicht besiedelten Gebieten, in denen zur Zeit die Energieversorgung durch Überlandleitungen erfolgt, kann zukünftig das Netz durch unterirdische supraleitende Kabel billiger erweitert werden als durch konventionelle Übertragungsleitungen.

Zur Zeit werden an mehreren Stellen der Welt "Demonstratoren" supraleitender Kabel unter praxisnahen Bedingungen getestet. In dem wohl größten Projekt bereiten Pirelli und Detroit Edison die Einbindung eines 120 m langen 100 Megawatt-Kabels, das aus drei Einphasen-HTSL-Kabeln besteht, in das Netz eines Detroiter Elektrizitätswerkes vor.

Supraleitende Magnetschwebebahn

Bildbeschreibung:
Supraleitende Magnetschwebebahn an vertikaler Magnetschiene. (IFW, Dresden)
 

Die wichtigsten Vorteile von Transformatoren auf HTSL-Basis gegenüber konventionellen Transformatoren sind ein bis zu 50 % geringeres Gewicht im Falle großer Trafos mit Leistungen von mehr als 30 Megawatt, ein geringeres Volumen, eine beträchtliche Energieeinsparung durch einen verbesserten Wirkungsgrad und die Vermeidung großer Mengen Öl, die in konventionellen Transformatoren als Kühlmittel und Dielektrikum verwendet werden, aber feuergefährlich und ein Risiko für die Umwelt sind.

Durch den Einsatz von HTSL in großen Elektromotoren erhofft man sich eine Reduzierung des Bauvolumens und der elektrischen Verluste um 50 %. Wenn man berücksichtigt, dass in den USA mehr als 30 % der gesamten erzeugten Elektroenergie in großen Motoren verbraucht wird, ist durch die Substitution von Kupfer durch HTSL in den Motorwicklungen ein gewaltiger ökonomischer Nutzen zu erwarten.

Supraleitende YBCO-Magnete haben die größten Anwendungschancen bei der berührungslosen magnetischen Lagerung von Schwungrädern für die Energiespeicherung und von Wellen in Motoren und Zentrifugen mit hoher Drehzahl. Dabei ist im Gegensatz zu konventionellen Magnetlagern keine aktive Regelung erforderlich, da die Verankerung des Magnetflusses im Supraleiter eine Eigenstabilisierung gewährleistet. Auch der Einsatz für lineare Transportsysteme z. B. in Reinräumen der Halbleiterindustrie ist denkbar. Die Funktion eines solchen Transportsystems ist "spielerisch" in Abb. 4 veranschaulicht, die eine Lokomotive zeigt, die den supraleitenden Magneten enthält und entlang einer aus konventionellen Magneten bestehenden "Schiene" berührungslos schwebt.

Die Entwicklung von Betriebsmitteln auf HTSL-Basis befindet sich zur Zeit noch in einem Stadium experimenteller Anwendung. Der gegenwärtige Stand der HTSL-Materialentwicklung berechtigt jedoch zu der Hoffnung, dass bis zum Ende dieses Jahrzehnts ein Durchbruch in der industriellen Anwendung der Hochtemperatursupraleiter erfolgen wird.