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Elektrotechnik Nächstes Level der Supraleittechnik

| Autor/ Redakteur: Kathrin Beck / M.A. Frauke Finus

Hochtemperatur-Supraleiter gelten allgemein als nächster Schritt zu einer noch sparsameren Elektrotechnik, da sie bei richtiger Temperierung keinen Widerstand aufweisen. Völlig verlustfrei erfolgt der Stromfluss aber dennoch nicht, vor allem bei gewundenen Leitern im Wechselstrombetrieb reduziert die Magnetisierung die Übertragungseffizienz. Forscher des Instituts für Technische Physik (ITEP) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeiten deshalb daran, diesen unerwünschten Effekt zu reduzieren.

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Die Bandleiter sind aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut, vom Trägerband über Puffer und den eigentlichen Leiter bis zu Deck- und Schutzschichten aus Silber oder Kupfer.
Die Bandleiter sind aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut, vom Trägerband über Puffer und den eigentlichen Leiter bis zu Deck- und Schutzschichten aus Silber oder Kupfer.
(Bild: ITEP)

Die Verringerung des elektrischen Widerstands ist bei der Entwicklung immer sparsamerer Technik eines der wichtigsten Themengebiete. Gleicher Stromfluss bei weniger Spannung hätte gravierende Auswirkungen auf die Effizienz von elektrischen Geräten, jedoch ist die Leitfähigkeit herkömmlicher Leitermaterialien in der Regel begrenzt. Erst bei sehr tiefen Temperaturen von unter 20 K fällt bei vielen Metallen der Widerstand auf Null und das Material wird zum Supraleiter. Aufgrund der nötigen Kühlung sind solche metallischen Supraleiter für den praktischen Alltag aber kaum oder nur unter hohem Aufwand zu gebrauchen. Eingesetzt werden sie unter anderem zur Erzeugung starker Magnetfelder oder für Hohlraumresonatoren in Teilchenbeschleunigern.

Wechselstromverluste reduzieren

Die Forschung konzentriert sich daher verstärkt auf die sogenannten Hochtemperatursupraleiter, die meist auf keramischem Material basieren und deren Sprungtemperatur sich um 100 K herum bewegt. Diese Werte lassen sich – auch wenn sie immer noch weit unter 0° C liegen – wesentlich einfacher erreichen, weshalb die Hochtemperatursupraleiter einen weiteren Nutzungsbereich abdecken können. Sie finden zum Beispiel bereits in Messgeräten für sehr schwache Magnetfelder Anwendung. Gleichzeitig wird weltweit in zahlreichen Projekten an Lösungen für den Energietransport, an Transformatoren und verlustfreien Elektromotoren sowie an mechanischen Lagern und Energiespeichern auf Magnetbasis gearbeitet.

Einer der derzeit vielversprechendsten Supraleiter ist ein Yttrium-Barium-Kupferoxid-Gefüge (YBCO), das schon bei 92 K (-181,15 °C) seine besondere Eigenschaft entfaltet. Dieser keramische Leitertyp wird aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut, von einem 50 bis 100 µm dicken metallischen Substratband und einem Puffer mit mehreren 100 nm über den nur 1 µm dicken eigentlichen Supraleiter bis zur 2 µm starken Silber-Schutzschicht. Zusätzlich kann je nach Anwendung Kupfer in unterschiedlicher Dicke zur elektrischen Stabilisierung aufgebracht sein, das beim Ausfall des Supraleiters ein Durchbrennen verhindert. Durch die Dünnschichttechnologie lässt sich der Leiter wie Metalldraht formen. Diese Nutzbarkeit in Windungen, wie in Transformatoren oder Generatoren, bringt aber auch ein Problem mit sich: Das sich dabei bildende senkrechte Magnetfeld führt zu deutlichen Wechselstromverlusten aufgrund von Hysterese.

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