Supraleittechnik
Supraleittechnik ist ein Gebiet der Elektrotechnik, das sich mit der Anwendung von Supraleitern beschäftigt.
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Eigenschaften
Bei einem Supraleiter entfällt der ohmsche Widerstand, so sollten Transport und Verwendung von elektrischem Strom ohne Verluste möglich sein. Den geringeren Energieverlust erkauft man durch einen höheren technologischen Aufwand beim Betrieb der supraleitenden Aggregate.
Ein offensichtliches Problem ist dabei die erforderliche Kühlung. Da Supraleiter unterhalb der Sprungtemperatur betrieben werden müssen ist hier immer eine Kühlung erforderlich. Kompakte Aggregate sind einfacher zu kühlen. Dabei ist der Kontakt zwischen klassischen Leitern und Supraleitern ein weiteres Problem.
Bei einer bestimmten magnetischen Feldstärke bricht die Supraleitung zusammen. Da ein fließender Strom ein Magnetfeld erzeugt, wird so auch die Belastbarkeit der Supraleiter begrenzt. Zusätzlich reagieren Supraleiter empfindlich auf Veränderungen des Strom. Mit zunehmender Frequenz sinkt so die kritische Feldstärke.
Bei einer langen Energieübertragungsleitung mit einem Supraleiter entfällt die Dämpfung von Resonanzen. Sie zeigt ähnliche Eigenschaften wie man sie von einer HF Antennenleitung her kennt (diese hat eine geringe wenn auch nicht verschwindende Dämpfung). Wenn die Impedanzen an den Enden der Leitung nicht angepasst sind, treten auf der Leitung Strom und Spannungs Knoten und Spitzen auf. Wobei die Stromspitzen auf die Stromtragfähigkeit der Leitungen und die Spannungsspitzen auf die Isolation Auswirkungen hat.
Anwendung
Erzeugung zeitlich konstanter Magnetfelder
Ein bedeutendes Anwendungsfeld ist die Erzeugung hoher konstanter Magnetfelder. Die Supraleitung ermöglicht es die von einem hohen Strom durchflossenen Feldspulen kurz zu schließen, woraufhin der Stromfluss über Jahre hinaus konstant bleibt. Bei dem dauerhaften Betrieb werden die elektrischen Anschlüsse, nach dem Laden der Spulen, mechanisch entfernt, und der Behälter der Spule verschlossen. Die Isolierung kann sehr gut sein. Im allgemeinen verzichtet man deshalb auf Kühlaggregate. So ist alles, was zum Erhalten des Feldes erforderlich ist, ein regelmäßiges Nachfüllen der Kühlmedien Helium und Stickstoff.
Für diese Anwendung werden nur klassische Supraleiter (SL) verwendet, im Wesentlichen Legierungen von Niob. Diese erreichen höhere magnetische Feldstärken. Für Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) fehlen z.Z. noch die geforderten Fertigungstechniken. Die Herstellung starker, supraleitender Spulen erfordert das Ziehen von kilometerlangen, nur wenige Mikrometer dünnen Leiterfäden. Klassische SL bestehen aus Metalllegierungen, mit denen dies möglich ist. HTSL haben jedoch physikalische Eigenschaften, welche denen von Keramiken sehr ähnlich sind. Daher kann man bisher noch nicht die gewünschten Fäden herstellen.
Die größte Störung ist das sogenannte Quenchen (en: quenching=abschrecken). Dabei bricht lokal die Supraleitung zusammen. Da diese Stelle nun normalleitend ist, wirkt sie als elektrischer Widerstand. Sie heizt sich sehr schnell auf, wodurch sich der Widerstand erhöht und der normalleitende Bereich weiter vergrößert. So wird innerhalb kurzer Zeit die Spule entladen. Da die im Magnetfeld gespeicherte Energie recht groß ist, kann dieser Vorgang bei fehlenden Sicherheitsschaltungen zur Zerstörung der Spule führen. Supraleiter sind ideal diamagnetisch. Daher kann ein Strom nur an seiner Oberfläche fließen. Um also große Stromstärken ohne Überschreiten der Grenzstromdichte zu erreichen, muss man viele sehr dünne SL-Fäden parallel schalten. Durch Einbetten dieser Fäden in Kupfer wird erreicht, dass beim Quenchen der Strom vom normalleitenden Kupfer aufgenommen wird. Damit wird eine Zerstörung des Leiters wirksam vermieden.
In folgenden Aggregaten werden solche Spulen verwendet.
- Der magnetische Einschluss bei der Kernfusion.
- Das Grundmagnetfeld Kernspintomographie bzw. Magnetresonanztomographie
- Das Magnetfeld zum Ablenken und Fokussieren der Teilchenstrahlen in Teilchenbeschleunigern.
- Als Festmagnetfeld des Stators von Elektromotoren.
Mikrowellen in supraleitenden Kavitäten
Für Teilchenbeschleuniger gibt es neben den konstanten Magnetfeldern zur Umlenlung der Teilchen auch hochfrequente Felder zur Beschleinigung der Teilchen. Auch hierfür werden Supraleiter verwendet, obwohl die kritische Feldstärke mit der Frequenz deutlich absinkt. Ab einer kritischen Frequenz werden die Cooper-Paare direkt durch Photonenabsorption aufgebrochen werden. Dann sinkt die kritische Feldstärke auf null. Die einzige Möglichkeit diese Grenze weiter zu verschieben ist eine tiefere Kühlung.
Zum Beispiel in dem TESLA-Projekt werden supraleitende Kavitaten aus reinem Niob entwichelt. Vorteil und Nachteil des Systems ist die geringe Dämpfung. So ist der Wirkungsgrad besonders hoch, gleichzeitig werden parasitäre Moden nicht bedämpft.
Supraleitende Kabel und Elektrogeräte
Da unter Verwendung hoher Spannungen auch auf klassischen Leitungen elektrische Energie effizient übertragen werden kann, sind Supraleiter hier kaum konkurrenzfähig. Durch die im Vergleich zu konventionellen Leitungen höhere erzielbare Stromdichte lässt sich jedoch mehr elektrische Leistung auf gleichem Raum übertragen. Daher werden supraleitende Kabel dort eingesetzt, wo durch Erhöhung des Bedarfs bei begrenztem baulichen Raum Erweiterungen vorgenommen werden müssen. In Tokio werden derzeit normale Stromkabel gegen HTSL-Kabel mit Stickstoffkühlung ausgetauscht.
Es lassen sich verlustarme Transformatoren herstellen, die bei gleicher Leistung deutlich verminderte Abmessungen und Masse haben und somit beispielsweise im mobilen Betrieb (Lokomotiven) Vorteile erbringen. Darüber hinaus kann auf eine umweltgefährdende Ölkühlung verzichtet werden. Durch eine gute thermische Isolierung ist es möglich die Transformatoren mit Kältemaschinen zu betreiben.
Annähernd verlustfreie Elektromotoren mit Hochtemperatursupraleitern ermöglichen ebenfalls eine Steigerung des Wirkungsgrades und eine deutliche Volumen- und Gewichtsersparnis gegenüber klassischen Motoren.
Ein weiterer interessanter Anwendungsfall sind supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer, die ebenfalls in den Stromnetzen zur Absicherung eingesetzt werden. Bei einem zu hohen Strom steigt das Magnetfeld über die kritische Feldstärke und der Supraleiter quenscht, das heist er wird normalleitend und der Widerstand steigt abrupt an. Im Gegensatz zu konventionellen Sicherungen sind supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer reversibel und müssen nach Beseitigung der Fehlerquelle nicht ersetzt werden.
Mechanische Lager auf Basis der Supraleitung
Unter der Verwendung von supraleitenden Lagern lassen sich Energiespeicher für die kurzfristige Speicherung elektrischer Energie konstruieren. Diese Speicher dienen insbesondere der Kompensation schneller Lastschwankungen der Verbundnetze.