Weltweit leistungsstärkstes supraleitendes Drahtsegment an der UB hergestellt
Neue Studie zeigt, wie der großtechnische und kosteneffiziente Einsatz von Hochtemperatur-Supraleiterdraht einen weiteren Schritt in Richtung Realität geht
Unsere Energiezukunft könnte von hochtemperatursupraleitenden Drähten (HTS) abhängen. Die Fähigkeit dieser Technologie, Elektrizität ohne Widerstand bei höheren Temperaturen zu übertragen, als sie für herkömmliche Supraleiter erforderlich sind, könnte das Stromnetz revolutionieren und sogar die kommerzielle Kernfusion ermöglichen.
Zur Herstellung der HTS-Drähte wurde die gepulste Laserabscheidung verwendet, bei der ein Laserstrahl ein Material abträgt, das als Film auf einem Substrat abgeschieden wird.
University at Buffalo
Diese groß angelegten Anwendungen werden jedoch erst dann möglich sein, wenn HTS-Drähte zu einem Preis-Leistungs-Verhältnis hergestellt werden können, das dem von normalem Kupferdraht aus dem Baumarkt entspricht.
Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung der University at Buffalo bringen uns diesem Ziel näher. In einer Studie berichten die Forscher, dass sie das weltweit leistungsstärkste HTS-Drahtsegment hergestellt haben und dabei das Preis-Leistungs-Verhältnis deutlich günstiger gestaltet haben.
Auf der Grundlage von Seltenerd-Barium-Kupfer-Oxid (REBCO) erreichten ihre Drähte die höchste kritische Stromdichte und die höchste Pinning-Kraft - also die Menge an elektrischem Strom und die Fähigkeit, magnetische Wirbel festzuhalten -, die bisher für alle Magnetfelder und Temperaturen von 5 Kelvin bis 77 Kelvin gemeldet wurden.
Dieser Temperaturbereich ist immer noch extrem kalt - minus 451 Grad bis minus 321 Grad Fahrenheit - aber höher als der absolute Nullpunkt, bei dem traditionelle Supraleiter funktionieren.
"Diese Ergebnisse werden der Industrie helfen, ihre Abscheidungs- und Herstellungsbedingungen weiter zu optimieren, um das Preis-Leistungs-Verhältnis bei kommerziellen beschichteten Leitern deutlich zu verbessern", sagt der korrespondierende Autor der Studie, Amit Goyal, PhD, SUNY Distinguished Professor und SUNY Empire Innovation Professor im Department of Chemical and Biological Engineering, innerhalb der UB School of Engineering and Applied Sciences. "Wir müssen das Preis-Leistungs-Verhältnis günstiger gestalten, um die zahlreichen geplanten großtechnischen Anwendungen von Supraleitern in vollem Umfang zu realisieren."
HTS-Drähte haben viele Anwendungen
Zu den Anwendungen von HTS-Drähten gehören die Energieerzeugung, z. B. die Verdopplung der von Offshore-Windgeneratoren erzeugten Leistung, supraleitende magnetische Energiespeichersysteme im Netzmaßstab, die Energieübertragung, z. B. die verlustfreie Übertragung von Energie in Hochstrom-Gleich- und Wechselstrom-Übertragungsleitungen, und die Energieeffizienz in Form von hocheffizienten supraleitenden Transformatoren, Motoren und Fehlerstrombegrenzern für das Netz.
Nur eine Nischenanwendung von HTS-Drähten, die kommerzielle Kernfusion, birgt das Potenzial zur Erzeugung unbegrenzter sauberer Energie. Allein in den letzten Jahren wurden weltweit etwa 20 private Unternehmen gegründet, um die kommerzielle Kernfusion zu entwickeln, und es wurden Milliarden von Dollar in die Entwicklung von HTS-Drähten allein für diese Anwendung investiert.
Weitere Anwendungen von HTS-Drähten sind die nächste Generation der MRT für die Medizin, die nächste Generation der Kernspinresonanz (NMR) für die Arzneimittelforschung und Hochfeldmagnete für zahlreiche physikalische Anwendungen. Es gibt auch zahlreiche Anwendungen im Verteidigungsbereich, z. B. bei der Entwicklung von vollelektrischen Schiffen und Flugzeugen.
Gegenwärtig nutzen die meisten Unternehmen weltweit, die kilometerlange Hochleistungs-HTS-Drähte herstellen, eine oder mehrere der von Goyal und seinem Team entwickelten technologischen Plattforminnovationen.
Dazu gehören die RABiTS-Technologie (Rolling Assisted Biaxially Textured Substrates), die LMOe-unterstützte IBAD-MgO-Technologie (Ion Beam Assisted Deposition) und nanokolumnare Defekte in nanoskaligen Abständen durch gleichzeitige Phasentrennung und dehnungsgesteuerte Selbstmontagetechnologie. In einem kürzlich erschienenen Interview der Superconductor Week mit Goyal werden Details dieser Technologien hervorgehoben und erörtert.
Weltrekord bei kritischer Stromdichte und Pinning-Kraft
In der aktuellen Arbeit, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, berichtet die Gruppe von Goyal über supraleitende Drähte auf REBCO-Basis, die eine extrem hohe Leistung aufweisen.
Bei 4,2 Kelvin leiteten die HTS-Drähte 190 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter ohne externes Magnetfeld, auch bekannt als Selbstfeld, und 90 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter mit einem Magnetfeld von 7 Tesla.
Bei einer wärmeren Temperatur von 20 Kelvin - der angestrebten Anwendungstemperatur für die kommerzielle Kernfusion - könnten die Drähte immer noch über 150 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter Eigenfeld und über 60 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter bei 7 Tesla übertragen.
In Bezug auf den kritischen Strom entspricht dies, dass ein 4 Millimeter breites Drahtsegment bei 4,2 Kelvin einen Superstrom von 1.500 Ampere bei Eigenfeld und 700 Ampere bei 7 Tesla aufweist. Bei 20 Kelvin sind es 1.200 Ampere im Eigenfeld und 500 Ampere bei 7 Tesla.
Bemerkenswert ist, dass die HTS-Folie des Teams trotz ihrer geringen Dicke von nur 0,2 Mikrometern einen vergleichbaren Strom wie kommerzielle supraleitende Drähte mit einer fast 10-mal dickeren HTS-Folie übertragen kann.
Was die Haltekraft betrifft, so zeigten die Drähte eine starke Fähigkeit, magnetische Wirbel an Ort und Stelle zu halten, mit Kräften von etwa 6,4 Teranewton pro Kubikmeter bei 4,2 Kelvin und etwa 4,2 Teranewton pro Kubikmeter bei 20 Kelvin, jeweils unter einem 7-Tesla-Magnetfeld.
Dies sind die höchsten Werte für die kritische Stromdichte und die Pinning-Kraft, die bisher für alle Magnetfelder und Betriebstemperaturen von 5 Kelvin bis 77 Kelvin gemeldet wurden.
"Diese Ergebnisse zeigen, dass noch erhebliche Leistungssteigerungen möglich sind und damit auch die damit verbundene Kostenreduzierung, die in optimierten, kommerziellen HTS-Drähten realisiert werden könnte", sagt Goyal.
Wie der Hochleistungsdraht hergestellt wurde
Das HTS-Drahtsegment wurde auf Substraten mit der (IBAD) MgO-Technologie und unter Verwendung der Nanosäulendefekte durch gleichzeitige Phasentrennung und dehnungsgesteuerte Selbstmontage hergestellt. Die Selbstmontagetechnologie ermöglicht den Einbau von isolierenden oder nicht-supraleitenden Nanosäulen in nanoskaligen Abständen innerhalb des Supraleiters. Diese Nanodefekte können die supraleitenden Wirbel einklemmen und so höhere Supraleitungsströme ermöglichen.
"Die hohe kritische Stromdichte wurde durch eine Kombination von Pinning-Effekten durch die Dotierung mit seltenen Erden, Sauerstoff-Punktdefekten und isolierenden Bariumzirkonat-Nanosäulen und deren Morphologie ermöglicht", sagt Goyal.
"Der HTS-Film wurde mit einem fortschrittlichen gepulsten Laserdepositionssystem unter sorgfältiger Kontrolle der Depositionsparameter hergestellt", fügt Rohit Kumar hinzu, Postdoktorand im UB-Labor für heteroepitaktisches Wachstum von Funktionsmaterialien und -geräten, das Goyal leitet.
Bei der gepulsten Laserdeposition trifft ein Laserstrahl auf ein Zielmaterial und trägt Material ab, das sich als Film auf einem entsprechend platzierten Substrat ablagert.
"Wir haben auch Mikroskopie mit atomarer Auflösung mit den modernsten Mikroskopen am Canadian Center for Electron Microscopy an der McMaster University durchgeführt, um nanokolumnare und atomare Defekte zu charakterisieren, und wir haben auch einige Messungen der supraleitenden Eigenschaften an der Università di Salerno in Italien durchgeführt", sagt Goyal.
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Originalveröffentlichung
"Ultra-high Critical Current Density and Pinning Force in Nanostructured, Superconducting REBCO-based, Coated Conductor"; Nature Communications 2024.
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