Aktuell / 22.10.2014

Hochtemperatur-Supraleiter industriell herstellen

Herstellung von HTS-Bandleitern: Die Abbildung zeigt eine Pilotanlage zur kontinuierlichen Glühung von keramischen Schichten und die Prüfung der Glühatmosphäre. © Deutsche Nanoschicht
Demonstrationsmodell der Deutschen Nanoschicht zeigt den Schichtaufbau eines HTS-Bandleiters mit den jeweils eingesetzten Verbindungen. © Gerhard Hirn, BINE Informationsdienst

Hochtemperatur-Supraleiter können Stromerzeugung und -transport deutlich effizienter machen als bisher. Noch bremsen hohe Herstellungskosten eine weitere Verbreitung über Spezialanwendungen und Pilotprojekte wie AmpaCity hinaus. Um einen breiten Einsatz von Supraleitern zu ermöglichen, arbeiten Entwickler des Dünnschichtspezialisten Deutsche Nanoschicht und des Anlagenherstellers Theva daran, die Herstellung von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) der zweiten Generation weiter zu verbessern und auf industriellen Maßstab zu skalieren.

Der Einsatz der Supraleiter-Technik erschließt große Einsparpotenzial bei Stromerzeugung und -transport: Der mit flüssigem Stickstoff gekühlte HTS-Bandleiter trägt verlustfrei zweihundert Mal mehr Strom als ein Kupferdraht mit gleichem Querschnitt. Die Entwickler erwarten, dass Supraleiter wesentlicher Bestandteil für Hochleistungskabel, Generatoren, Motoren, Trafos, Strombegrenzer und anderer elektrischer Großgeräte werden.

Die zweite Drahtgeneration (2G) der Hochtemperatur-Supraleiter besteht aus beschichteten Bandleitern. Diese sind robust, lassen sich zu Spulen wickeln und können mit industriellen Verfahren verarbeitet werden. Sie erreichen typischerweise Stromdichten von über 10.000 A/mm². Die Entwickler erwarten, dass diese Supraleiter – bezogen auf ihre Leistungsfähigkeit – innerhalb der nächsten zehn Jahre günstiger als konventionelle Kupferleiter werden.

Herstellungsverfahren werden verfeinert

Zur Herstellung der Supraleiterschichten setzen der Dünnschichtspezialist Deutsche Nanoschicht und der Anlagenhersteller Theva chemische oder physikalische Verfahren ein. Die Deutsche Nanoschicht arbeitet mit der Chemischen Lösungsbeschichtung – Chemical Solution Deposition (CSD), Theva setzt die Physikalische Gasphasenabscheidung – Physical Vapour Deposition (PVD) ein. Bei physikalischen Verfahren werden die Einzelelemente im Hochvakuum verdampft, bei chemischen Verfahren werden metallorganische Ausgangsstoffe unter Normaldruck abgeschieden.

Chemische Methoden ermöglichen es, HTS-Drähte mittlerer Performance zu besonders niedrigen Produktionskosten herzustellen; gleichzeitig sind Investition und Energiekosten niedrig.
Das physikalische Beschichtungsverfahren erfordert höhere Investitions-, Rohstoff- und Energiekosten und liefert HTS-Drähte mit höherer Performance.

Zur Herstellung von Supraleitern werden zuerst sehr dünne keramische Schichten auf das als Trägermaterial dienende Metallband aufgebracht – diese wirken als Puffer. Dann folgen eine möglichst einkristalline supraleitende Schicht aus Yttrium-Barium-Kupfer-Oxyd und abschließend eine Schutzbeschichtung. Das Puffermaterial verhindert chemische Reaktionen zwischen Supraleiter und Metallband. Außerdem gibt die erste Pufferschicht auf glatten Metallbändern Orientierung für das Kristallwachstum der Supraleiterschicht.

Chemisches Verfahren liefert günstige Supraleiter

Die Deutsche Nanoschicht hat für die Produktion von Supraleitern ein kontinuierliches chemisches Abscheideverfahren entwickelt. Dieses neu entwickelte Tintendruckverfahren ermöglicht einen hohen Fertigungsdurchsatz und ist kostengünstiger als Beschichtungsprozesse im Vakuum. Zur Herstellung der Supraleiter wird auf dem Metallsubstrat eine komplexe Schichtarchitektur aus mehreren Zwischen- und Supraleiterschichten aufgebaut (Pufferschichten mit einer Dicke von 10 bis 150 nm, HTS-Schicht mit einer Dicke von 1.000 bis 1.500 nm) aufgebaut. Dabei werden bis zu zehn Keramikschichten mit rein chemischen Methoden in einem kontinuierlichen Prozess abgeschieden. Zuerst werden metallorganische Lösungen auf das Metallband als Substrat aufgebracht. Anschließend wird die Schicht zunächst getrocknet, danach pyrolysiert, um die organischen Bestandteile zu entfernen. In einem Hochtemperaturprozess bei bis zu 1.100 Grad Celsius erfolgt in einem gerichteten, epitaktischen Wachstum die Kristallisierung der keramischen Funktionsschicht. Mit dem Verfahren ist es möglich, homogenen Supraleiterdraht in Längen von mehreren hundert Metern herzustellen.

Dr. Michael Bäcker, Geschäftsführer der Deutschen Nanoschicht erklärt: „Überall, wo große Strommengen erzeugt, transportiert oder verbraucht werden, ermöglichen unsere Technologie-Entwicklungen neuartige energietechnische Systeme, die effizient und ressourcenschonend arbeiten. Vor allem für Generatoren und Motoren sowie für Kabel- und Versorgungsnetze in Ballungszentren ist die Supraleitertechnologie von Bedeutung.“

Physikalische Beschichtung bringt höchste Performance

Die Prozesstechnik-Experten von Theva stellen die HTS-Bandleiter mit einem speziell angepassten physikalischen Beschichtungsverfahren her. Mit dieser PVD-Technik werden durch Elektronenstrahlverdampfen auf einer polierten Stahlfolie oxidische Puffer- und HTS-Schichten abgeschieden. Dazu werden verschiedene Metalle im Vakuum gleichzeitig aus separaten Quellen einem Elektronenstrahl zugeführt und verdampft. Die Verdampfungsraten werden einzeln kontrolliert um die gewünschte Zusammensetzung des Films zu gewährleisten. Dieses Verfahren erlaubt eine schnelle, homogene Beschichtung großer Flächen.

Die Forscher der Firma Theva arbeiten daran, die Herstellung hochwertiger HTS-Bandleiter auf industrielles Produktionsniveau zu skalieren. Sie entwickeln vollautomatische Produktionsautomaten und führen ein durchgängiges, integriertes Qualitätsmanagement ein, ähnlich der Chipfertigung in der Halbleiterindustrie.

Hochtemperatur-Supraleiter leiten den Strom bereits bei Temperaturen um den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff (77 Kelvin) ohne Widerstand. Schon heute kann mit kommerziellen Kältemaschinen so effizient gekühlt werden, dass dafür weniger als 1 Prozent der Ausgangsleistung erforderlich ist. Mit kritischen Stromdichten von bis zu 50.000 A/mm² (Vergleich Kupfer: 5 A/mm²) und kritischen Magnetfeldern bis zu 100 Tonnen können extrem kompakte und leichte Systeme für die Elektrotechnik produziert werden.

Nach der grundlegenden Entwicklung der Herstellverfahren und dem Aufbau von Pilotfertigungen für elektrotechnische Prototypen erfolgt nun bei den Firmen die anwendungsspezifische Anpassung der supraleitenden Drähte. Insbesondere gibt es weiteren Entwicklungsbedarf bei der Performance in magnetischen Feldern und bei Wechselstromanwendungen.

Verknüpfte Projekte

  • Durch den Einsatz von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) lassen sich energieintensive Umformverfahren in der Metallverarbeitung effektiver und sparsamer gestalten. Einsatzfelder sind vor allem die Kupfer-, Aluminium- und Messingindustrie. ... mehr
  • Ein supraleitender Strombegrenzer wurde 2009 erstmals im Kraftwerk Boxberg zum Schutz der Eigenstromversorgung eingesetzt. In Kürze soll an gleicher Stelle ein System mit Supraleitern einer neuen Generation und mit optimierten Eigenschaften getestet werden. ... mehr

Mehr zum Projekt

Supraleiter für energietechnische Anwendungen (SupraTech)

Beteiligte:

Teilvorhaben: Chemische Beschichtungstechnologie
Deutsche Nanoschicht GmbH, infoatd-nano.com

Teilvorhaben: PVD-Produktionstechnologie
THEVA Dünnschichttechnik GmbH, infoattheva.com

Laufzeit:

2011-2015

Förderkennzeichen:

03ET1010A,B