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Abb. 2: Herstellung von 1G-Leitern
© Zenergy Power GmbH, Rheinbach

Abb. 3: Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern
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Abb. 4: Schichtarchitektur von 2G-Leitern
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Abb. 5: Beschichtungsverfahren im Vergleich
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HTS-Drähte und Bänder

Bisher sind zwei Verbindungen bekannt, die das technische und kommerzielle Potenzial für die Herstellung von HTS-Drähten haben. Beide sind keramische oxidische Materialien mit Kuper-Oxid-Ebenen als gemeinsamer Basis: Diese sind Wismut- (Blei-)Strontium-Calcium-Kupfer-Oxid ((Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x kurz BSCCO) mit einer Sprungtemperatur von Tc=110 K sowie Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBa2Cu3O7-x) mit Tc=92 K (YBCO). Die Produktion flexibler und langer HTS-Leiter mit diesen beiden Materialien stellt die Forschung vor eine Vielzahl von Herausforderungen: so sind die Werkstoffe spröde und brüchig. Erst bei ausreichend kleinen Dimensionen und in Verbindung mit einer metallischen Matrix oder einem Metallsubstrat erreichen sie die notwendige Flexibilität. Zudem beeinflusst die Orientierung der Kristallstruktur (Textur) die Stromtragfähigkeit über mehrere Größenordnungen und auch Korngrenzen der kristallinen Struktur limitieren die erreichbaren Stromstärken. Nicht zuletzt bestimmt die Mikrostruktur darüber, bis zu welcher Magnetfeldstärke das HTS-Material supraleitend bleibt. Gerade in energietechnischen Anwendungen ist dieses kritische Magnetfeld oftmals die entscheidende Größe. Während für die erste Generation, bei der dünne Langfasern in Silber als Metall eingebettet werden, industrielle Fertigungsverfahren verfügbar sind, konzentriert sich die Entwicklung zunehmend auf unterschiedliche Dünnschichttechnologien für die Bandleiter der zweiten Generation.

Die erste Generation – Drähte

HTS-Drähte der ersten Generation (1G) werden nach der Pulver-im-Rohr Methode mit BSCCO hergestellt: Das Ausgangsmaterial wird als feines Pulver in ein leicht verformbares Hüllrohr aus Silber gefüllt, welches zu einem dünnen Draht gezogen wird. Der Durchmesser reduziert sich von etwa 35 auf 2 mm. Die Pulverpartikel passen sich dabei dem geringeren Drahtquerschnitt an. Mehrere dieser Einzeldrähte werden wiederum in einem Silberrohr gebündelt und zu einem Multi-Filament-Draht gezogen. In einem anschließenden mehrstufigen Glühverfahren unter Sauerstoffatmosphäre und bei Temperaturen von etwa 900 °C bildet sich die supraleitende Phase in Form feinster Kristallite in den parallelen Filamenten aus, die jeweils durch das metallische Hüllmaterial getrennt sind. Mehrere Walzschritte zwischen den Wärmebehandlungen sorgen für die parallele Ausrichtung der Kristallite und der stromtragenden CuO-Ebenen. 1G-Leiter auf der Basis von BSCCO sind zuverlässig und haltbar. Der etablierte Herstellungsprozess garantiert heute eine ausreichende Verfügbarkeit. Allerdings sind die Materialkosten bei einem Silberanteil der Drähte von 60% oder mehr hoch. Auch eine nicht absolut perfekte Ausrichtung aller Kristallachsen sowie dadurch bedingt eine stark reduzierte Stromtragfähigkeit, insbesondere in Magnetfeldern oberhalb einer Temperatur von 50 K, schränken die Einsatzmöglichkeiten ein.

Die zweite Generation – Bänder

HTS-Bandleiter der zweiten Generation (2G) erreichen höhere Stromdichten, eignen sich wegen der anderen Materialklasse (YBCO statt BSCCO) besser für Magnetfeldanwendungen und bieten die Chance für eine kostengünstige Massenproduktion. Nennenswerte Mengen werden bislang allerdings nur von zwei amerikanischen Firmen angeboten, aber europäische und insbesondere deutsche Firmen planen den Aufbau von Produktionslinien. Die sogenannten „Beschichteten Leiter" (Coated Conductor – CC) basieren auf einer Schichtarchitektur: auf ein metallisches Trägerband werden zunächst keramische Pufferschichten, dann die eigentliche Supraleiterschicht abgeschieden. Das BMWi fördert in drei großen Verbundvorhaben unterschiedliche Verfahren für die industrielle Produktion. Physikalische Methoden wie Sputtern, Laserablation oder Elektronenstrahlverdampfung erzielen Schichten mit höchster Performance. Mit der Elektronenstrahlbeschichtung gelang es der THEVA GmbH bereits, die Stromdichte von 1000 A/mm² zu überschreiten. Da die physikalischen Verfahren im Hochvakuum ablaufen, werden aber geringere Beschichtungsraten erreicht als bei chemischen Prozessen wie der chemischen Lösungsbeschichtung (Chemical Solution Deposition – CSD). Eine Mittelstellung nimmt die chemische Vakuumbeschichtung (Metal Organic Chemical Vapour Deposition – MOCVD) ein, die nur ein moderates Vakuum erfordert.

Projektinfo 06/2010:
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