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Erzeugung von Supraleitern mittels Nanotechnologien

EU-finanzierte Forscher erhöhten deutlich die Strommenge, die verlustfrei durch dünne Hochtemperatur-Supraleiter fließen kann, und erzeugten Folien mit ausreichender Länge für den kommerziellen Einsatz. Dies könnte die Art und Weise verändern, wie Energie erzeugt und übertragen wird, etwa durch verlustfreie Stromnetze oder Motoren und Generatoren, auch könnten extrem leistungsstarke Magnete produziert werden.
Erzeugung von Supraleitern mittels Nanotechnologien
Nach dem Prinzip der Supraleitung, das 1911 entdeckt wurde, fällt bei einigen Materialien beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur der elektrische Widerstand auf null ab, sodass Strom quasi verlustfrei geleitet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leitern aus Kupfer, bei denen Energie zum Teil in Wärme umgewandelt wird und der Verlust mit zunehmender Länge steigt, können Supraleiter immense Strommengen ohne Reibung oder Wärmeverlust übertragen und damit eine optimale Lösung für effiziente Energieübertragung darstellen.

Problematisch ist allerdings, dass der Temperaturbereich für handelsübliche Supraleiter noch sehr niedrig ist, sodass mit teurem Helium gekühlt werden muss und Anwendungen sich bislang auf leistungsstarke Magneten beschränken. Neue Supraleiter, die bei höheren Temperaturen arbeiten, sind damit deutlich kostengünstiger, da auf teure oder aufwändige Kühlung oder verflüssigtes Helium verzichtet werden kann, um ultrastarke Magnetfelder zu erzeugen. Leider sind diese Supraleiter aber zu spröde, um daraus normale Drähte herzustellen.

Das EU-finanzierte Projekt EUROTAPES (European development of superconducting tapes: Integrating novel materials and architectures into cost effective processes for power applications and magnets) entwickelte daher innovative Methoden zur Herstellung dünner Folien aus Supraleitern, bei denen eine Sprungtemperatur von 92 K (-181 °C) genügt, um verlustfrei Strom zu leiten.

Das Projektteam integrierte Nanopartikel, die nur 4 nm groß waren, in die Matrix epitaktischer YBa2Cu3O7-Schichten (YBCO). Für die Herstellung der Folien wurden verschiedene Abscheidungsverfahren wie Laserverdampfen und chemische Lösungsabscheidung (Tintenstrahldruck) kombiniert, um die Vorteile beider Verfahren zu nutzen. Die Nanopartikel erhöhten deutlich die maximale Strommenge, die ein Supraleiter auch in sehr starken Magnetfeldern verlustfrei leiten kann.

Für drei verschiedene Anwendungen testete das Projekt Leiter in unterschiedlichen Magnetfeldern und Temperaturbereichen, um die Leistung zu optimieren, was das eigentliche Ziel war. Im Einzelnen entwickelten die Forscher: supraleitende Bänder aus Nanoverbundstoffen, die in ultrastarken Magnetfeldern (über 20 T) und bei hohen Temperaturen (4 K) gute Leistung bringen und flüssiges Helium als Kühlmittel verwenden; Motoren und Generatoren in starken Magnetfeldern (3-5 T), die mit Kryokühlern bei 30-50 K gekühlt werden; und schließlich Kabel und Strombegrenzer, die in schwachen Magnetfeldern (unter 1 T) und bei relativ hohen Temperaturen (65-77 K) mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.

Trotz der hohen Kosten werden Supraleiter, die als Magnete verwendet werden, meist noch mit verflüssigtem Helium gekühlt. Die neuen supraleitenden Bänder erwiesen sich bei extrem starken Magnetfeldern als hochleistungsfähig und könnten so die Entwicklung einer neuen Generation leistungsstarker Magnete voranbringen.

Neue kostengünstige Methoden

Nun könnten zwar leistungsstarke Supraleiter die Energieversorgung revolutionieren, das größte Hindernis sind allerdings die hohen Produktionskosten. EUROTAPES entwickelte daher eine 600 m lange Produktionseinheit für supraleitfähige Bänder und reduzierte die €/kA-Rate mit neuen Methoden und Herstellungsmaterialien.

Zusammen mit dem Laserdepositionsverfahren experimentierten die Forscher bei der Herstellung der YBCO-Folien auch mit chemischer Lösungsabscheidung. Bei dem Verfahren werden Nanopartikel in kolloidalen Tinten gelöst und anschließend auf ein metallisches Substrat aufgedruckt, sodass ein Band entsteht. Wichtig dabei war, die Struktur und Stabilität der erzeugten kolloidalen Tinten genau zu kontrollieren. "Die einzelkristalline Struktur des mehrschichtigen Bandes über Hunderte Meter stabil zu halten, war ein enormes Problem, das EUROTAPES aber erfolgreich gelöst hat", sagt Projektkoordinator Xavier Obradors.

"Um die Strommenge, die das Band leiten kann, weiter zu erhöhen, wurden die epitaktischen Leiter neben den supraleitenden Materialien auch mit nicht-supraleitfähigen Nanopartikeln ausgerüstet, um die strukturellen Eigenschaften zu modifizieren", wie Obradors weiter ausführt.

Insbesondere für Folien und Beschichtungen aus Nanokompositmaterialien sieht die Industrie ein breites Anwendungsspektrum, und mehrere unter EUROTAPES entwickelte Methoden lassen sich problemlos für andere Bereiche anpassen. Typische Einsatzbereiche für großflächige oder langlebige Nanobeschichtungen wären Solarzellen, elektrochrome Fenster, Brennstoffzellen und Batterien.

Fachgebiete

Materials Technology

Schlüsselwörter

Hochtemperatur-Supraleiter, Stromnetze, Motoren, EUROTAPES, supraleitende Bänder
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