Das Team stellt das weltweit leistungsstärkste supraleitende Drahtsegment her

Unsere zukünftige Energie könnte von Hochtemperatur-Supraleiterdrähten (HTS) abhängen. Die Fähigkeit dieser Technologie, Strom ohne Widerstand bei Temperaturen zu transportieren, die höher sind als die, die herkömmliche Supraleiter erfordern, könnte das Stromnetz revolutionieren und sogar eine kommerzielle Kernfusion ermöglichen.

Diese groß angelegten Anwendungen werden jedoch erst möglich sein, wenn HTS-Draht zu einem Preis-Leistungs-Verhältnis hergestellt werden kann, das dem von gewöhnlichem Kupferdraht entspricht, der in Ihrem örtlichen Baumarkt verkauft wird.

Neue Forschungsergebnisse der University at Buffalo bringen uns diesem Ziel näher. In einer Studie veröffentlicht in NaturkommunikationForscher berichten, dass sie das weltweit leistungsstärkste HTS-Drahtsegment hergestellt und dabei das Preis-Leistungs-Verhältnis deutlich verbessert haben.

Basierend auf Seltenerd-Bariumkupferoxid (REBCO) erreichten ihre Drähte die höchste kritische Stromdichte und Verankerungsfestigkeit (die Menge des übertragenen elektrischen Stroms bzw. die Fähigkeit, magnetische Wirbel zu immobilisieren), die bisher für alle Magnetfelder und alle Temperaturen gemeldet wurden 5 bis 77 Kelvin.

Dieser Temperaturbereich ist immer noch extrem kalt (minus 451 Grad bis minus 321 Grad Fahrenheit), aber höher als der absolute Nullpunkt, bei dem herkömmliche Supraleiter arbeiten.

„Diese Ergebnisse werden der Industrie dabei helfen, ihre Abscheidungs- und Herstellungsbedingungen weiter zu optimieren, um das Preis-Leistungs-Verhältnis kommerzieller beschichteter Leiter deutlich zu verbessern“, sagt der korrespondierende Autor der Studie, Amit Goyal, Ph.D., SUNY Distinguished Professor und SUNY Empire Innovation Professor im Fachbereich Chemie- und Bioingenieurwesen der UB School of Engineering and Applied Sciences. „Es ist notwendig, das Preis-Leistungs-Verhältnis zu verbessern, um die vielen geplanten großtechnischen Anwendungen von Supraleitern vollständig zu realisieren. »

HTS-Drähte haben viele Anwendungen

Zu den Anwendungen für HTS-Drähte gehören die Stromerzeugung, beispielsweise die Verdoppelung der von Offshore-Windkraftanlagen erzeugten Energie; supraleitende magnetische Energiespeichersysteme im Netzmaßstab; Stromübertragung, beispielsweise verlustfreie Übertragung von Strom in Hochstrom-Gleichstrom- und Wechselstromübertragungsleitungen; und Energieeffizienz in Form hocheffizienter supraleitender Transformatoren, Motoren und Fehlerstrombegrenzer für das Netz.

Nur eine Nischenanwendung von HTS-Drähten – die kommerzielle Kernfusion – bietet das Potenzial, unbegrenzt saubere Energie zu erzeugen. Allein in den letzten Jahren wurden weltweit rund 20 private Unternehmen gegründet, um die kommerzielle Kernfusion zu entwickeln, und allein für diese Anwendung wurden Milliarden von Dollar in die Entwicklung von HTS-Drähten investiert.

HTS-Drähte werden auch in der MRT der nächsten Generation für die Medizin, der Kernspinresonanz (NMR) der nächsten Generation für die Arzneimittelforschung und Hochfeldmagneten für viele Anwendungen in der Physik verwendet. Auch im Verteidigungsbereich gibt es viele Anwendungen, beispielsweise bei der Entwicklung vollelektrischer Schiffe und Flugzeuge.

Derzeit nutzen die meisten Unternehmen auf der ganzen Welt, die kilometerlange Hochleistungs-HTS-Drähte herstellen, eine oder mehrere der zuvor von Goyal und seinem Team entwickelten Plattformtechnologie-Innovationen.

Dazu gehören die Rolling-Assisted Biaxially Textured Substrate (RABiTS)-Technologie, die LMOe-fähige Ion Beam-Assisted Deposition (IBAD) MgO-Technologie und nanosäulenförmige Defekte in Nanometerabständen durch gleichzeitige Phasentrennung und bedingungsgesteuerte Selbstorganisationstechnologie.

Weltrekord für kritische Stromdichte und Ankerkraft

In der vorliegenden Arbeit berichtet in NaturkommunikationGoyals Gruppe präsentiert sehr leistungsstarke supraleitende Drähte auf REBCO-Basis.

Bei 4,2 Kelvin führten die HTS-Drähte 190 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter ohne äußeres Magnetfeld, auch Selbstfeld genannt, und 90 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter mit einem Magnetfeld von 7 Tesla.

Bei einer höheren Temperatur von 20 Kelvin (der vorgesehenen Anwendungstemperatur für die kommerzielle Kernfusion) könnten die Drähte immer noch mehr als 150 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter sauberes Feld und mehr als 60 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter bei 7 Tesla übertragen.

In Bezug auf den kritischen Strom entspricht dies einem 4 Millimeter breiten Drahtsegment bei 4,2 Kelvin mit einem Suprastrom von 1.500 Ampere im reinen Feld und 700 Ampere bei 7 Tesla. Bei 20 Kelvin sind es 1.200 Ampere im sauberen Feld und 500 Ampere bei 7 Tesla.

Bemerkenswert ist, dass der HTS-Film des Teams, obwohl er nur 0,2 Mikrometer dick ist, einen Strom führen kann, der mit dem von kommerziellen supraleitenden Drähten vergleichbar ist, wobei der HTS-Film fast zehnmal dicker ist.

In Bezug auf die Verankerungskraft zeigten die Drähte eine starke Fähigkeit, Magnetwirbel fest oder 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, beide unter einem Magnetfeld von 7 Tesla.

Dies sind die höchsten Werte der kritischen Stromdichte und Ankerkraft, die bisher für alle Magnetfelder und Betriebstemperaturen von 5 Kelvin bis 77 Kelvin gemeldet wurden.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass immer noch erhebliche Leistungsverbesserungen möglich sind und damit möglicherweise auch Kostensenkungen möglich sind, die bei optimierten kommerziellen HTS-Garnen erzielt werden könnten“, sagt Goyal.

Wie Hochleistungsgarn hergestellt wurde

Das HTS-Drahtsegment wurde auf Substraten mithilfe der MgO-Technologie (IBAD) hergestellt und nutzte die nanosäulenförmigen Defekte durch gleichzeitige Phasentrennung und spannungsgesteuerte Selbstorganisationstechnologie. Die Selbstorganisationstechnologie ermöglicht den Einbau in isolierende oder nicht supraleitende Nanosäulen in nanometrischen Abständen innerhalb des Supraleiters. Diese Nanodefekte können supraleitende Wirbel fixieren und so höhere Supraströme ermöglichen.

„Die hohe kritische Stromdichte wurde durch eine Kombination von Pinning-Effekten durch Dotierung mit seltenen Erden, Sauerstoffpunktdefekten und isolierenden Bariumzirkonat-Nanosäulen und deren Morphologien ermöglicht“, erklärt Goyal.

„Der HTS-Film wurde mithilfe eines fortschrittlichen gepulsten Laserabscheidungssystems unter sorgfältiger Steuerung der Abscheidungsparameter hergestellt“, fügt Rohit Kumar, Postdoktorand am UB-Labor für heteroepitaxiales Wachstum von Materialien und Funktionsgeräten unter der Leitung von Goyal, hinzu.

Bei der gepulsten Laserabscheidung trifft ein Laserstrahl auf ein Zielmaterial und entfernt das Material, das als Film auf einem entsprechend platzierten Substrat abgeschieden wird.

„Wir haben auch atomar aufgelöste Mikroskopie mit den modernsten Mikroskopen am Canadian Centre for Electron Microscopy an der McMaster University durchgeführt, um Defekte auf der Nanosäulen- und Atomskala zu charakterisieren, und haben auch einige Messungen der supraleitenden Eigenschaften an der „Universität Salerno in Italien“ durchgeführt“, heißt es Goyal.