Der Prototyp einer supraleitenden Spule ebnet den Weg für energieeffizientere Elektromagnete

Wie können wir Spitzenforschung vorantreiben und gleichzeitig weniger Energie verbrauchen? CERN-Wissenschaftler arbeiten an innovativen Lösungen, bei denen die Supraleitung einer der Schlüsselbestandteile ist.

Ein Team hat kürzlich erfolgreich eine Demonstrationsmagnetspule getestet, die den Stromverbrauch einiger Experimente erheblich reduzieren wird. Die Spule besteht aus Magnesiumdiborid (MgB).₂) supraleitende Kabel, die in der elektrischen Hochstromübertragungsleitung verwendet werden, die den High Luminosity LHC (HL-LHC), den Nachfolger des LHC, mit Strom versorgen wird. Es ist in einem Magnetjoch aus kohlenstoffarmem Stahl montiert, das die Feldlinien in einer sogenannten Superferric-Konfiguration aufrechterhält und konzentriert.

Dieser innovative Magnet ist für das SHiP-Experiment zur Erkennung sehr schwach wechselwirkender Teilchen vorgesehen und soll 2031 in Betrieb genommen werden. Einer der beiden Magnete des Detektors muss ein Feld von etwa 0,5 Tesla erzeugen. Das Feld ist von mäßiger Intensität, muss jedoch in einem gigantischen Volumen von 6 Metern Höhe und 4 Metern Breite und Tiefe erzeugt werden. Ein normalleitender Widerstandselektromagnet hätte eine elektrische Leistung von mehr als einem Megawatt und da er kontinuierlich arbeiten müsste, wäre sein Stromverbrauch hoch.

Daher entstand die Idee, einen Supraleiter zu verwenden, der Strom ohne Widerstand und damit ohne Energieverlust durch Erwärmung leitet. Dies ist das Prinzip der LHC-Magnete. Sie basieren jedoch auf einer Legierung aus Niob und Titan, was eine Kühlung auf eine sehr niedrige Temperatur von -271 ° C (2 Kelvin) erfordert, wobei supraflüssiges Helium verwendet wird, das in einer komplexen Kryoanlage hergestellt wird.

Magnesiumdiborid-Kabel haben den Vorteil, dass sie bei -253 °C (20 Kelvin) supraleitend sind. Sie können mit Heliumgas gekühlt werden und erfordern daher ein weniger komplexes Kryosystem, wodurch eine bessere thermodynamische Effizienz erzielt wird. Für Beschleunigermagnete wie am LHC, die Felder von etwa 8 Tesla erzeugen, könnten sie nicht verwendet werden. Sie eignen sich jedoch für einen großen Magneten mit mäßigem Feld wie dem von SHiP.

Die im vergangenen September gebaute ein Meter lange Demonstrationsspule hat gerade erfolgreich Betriebstests bestanden, bei denen sie mit Heliumgas auf Temperaturen von 20 bis 30 Kelvin gekühlt wurde. Auch wenn noch viele Schritte zu unternehmen sind, bis der SHiP-Magnet fertig ist, sind diese Tests vielversprechend und eröffnen Perspektiven für diese Technologie am CERN und in der Industrie.

„Ein solcher Magnet könnte bis zu 100-mal weniger elektrische Energie verbrauchen als ein gewöhnlicher Supereisenmagnet“, erklärt Arnaud Devred, der das Projekt mit einem Team der CERN-Magnetgruppe leitet. „Längerfristig könnten wir beispielsweise darüber nachdenken, bestimmte Magnete mit MgB umzurüsten₂ „Die Ingenieure beschlossen daher, Magnetoskopiespulen zu entwickeln, um ihren Stromverbrauch zu senken. Dieses Projekt stellt daher eine großartige Möglichkeit dar, die technologischen Fortschritte des HL-LHC hervorzuheben.“

Die supraleitenden Verbindungen des HL-LHC stoßen auf großes Interesse, da sie Hochtemperatur-Supraleiter verwenden, deren großflächiger Einsatz erhebliche Energieeinsparungen in vielen Bereichen, auch in unserem täglichen Leben, ermöglichen würde. Dank dieser sehr innovativen Entwicklung kann der Anwendungsbereich dieser Technologie auf Elektromagnete ausgeweitet werden. Der SHiP-Spektrometermagnet könnte eine der ersten Anwendungen sein.