Supraleiter für Zukunftsstrom - Hightech-Kabel bleiben dank Vakuum kalt

Supraleiter für Zukunftsstrom - Hightech-Kabel bleiben dank Vakuum kalt

Tiefkalte Supraleiter lassen den Strom widerstandslos fließen. Der Energieverlust beim Transport wird minimiert. Vakuum hilft, die benötigte Kälte zu erzeugen und zu bewahren.

Kälte löst Widerstand auf

„Wo Strom fließt, gibt es Widerstand": Dieses Postulat der Elektrizitätslehre stellte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes schon 1911 auf den Kopf, als er dem Phänomen der Supraleitung auf die Spur kam. Denn nach den Regeln der Quantenphysik verlieren manche Materialien ihren elektrischen Widerstand, wenn sie auf sehr tiefe Temperaturen heruntergekühlt werden. So kann Strom hindurchfließen, ohne dass Energie verloren geht. Der Übertragungsverlust beträgt in europäischen Stromnetzen etwa sechs Prozent. Durch widerstandslosen Stromtransport ließen sich also einige Kraftwerke einsparen. Allerdings ist das praxistaugliche Supraleiter-Kabel ein ziemlich aufwendiges Hightech-Konstrukt.

Vakuum schützt vor Wärme

Supraleiter-Kabel haben mit herkömmlichen Stromleitungen nur wenig gemein: Sie bestehen aus mehreren Schichten, die wie Gartenschläuche mit unterschiedlichem Querschnitt ineinander gesteckt sind. Die stromführenden Schichten enthalten Supraleiter-Streifen aus einem keramischen Material. Die Sprungtemperatur – also der Übergang zur Supraleitung – solcher Materialien liegt zwischen minus 130 und minus 180 Grad Celsius. Solche Temperaturen gelten in der Supraleiterphysik als hoch, die Keramiken werden als Hochtemperatur-Supraleiter bezeichnet.

Im Vergleich zur Umgebungstemperatur ist aber dennoch enorme Kälte nötig. Deshalb wird der Kabelstrang mit tiefkaltem, flüssigem Stickstoff gekühlt. Er fließt kontinuierlich durch einen Hohlraum, der als Mantel um die supraleitende Schicht liegt. Gegen Temperatureinflüsse von außen trägt das Kabel zusätzlich eine Ummantelung mit zwei Wänden, zwischen denen ein Vakuum liegt – eine Isolierung nach dem Prinzip der Thermoskanne.

Im Pilotprojekt AmpaCity verläuft ein solches Kabel zwischen zwei Umspannanlagen einen Kilometer weit quer durch die Essener Innenstadt. Es hat in einer zweijährigen Versuchsphase inzwischen den Praxistest bestanden. Neben dem Evakuieren des isolierenden Vakuummantels wird bei diesem Projekt auch für die Stickstoffkühlung Vakuumtechnik verwendet. In der Kälteanlage wird das Gas durch Druckreduktion mittels Vakuumpumpen auf einer Temperatur deutlich unterhalb seiner Siedetemperatur von minus 196 Grad Celsius gehalten.

Effizienzgewinn und Medizintechnik

Trotz ihres komplexen Schichtaufbaus sind Supraleiter deutlich dünner als vergleichbare Kupferkabel: Sie übertragen bei gleichem Querschnitt eine fünffach höhere Strommenge. Außerdem verkraften sie viel stärkeren Strom als konventionelle Kabel. Experten sind daher überzeugt, dass mit der neuen Kabeltechnologie nicht nur energieeffizientere, sondern auch platzsparende Lösungen für die Stromübertragung in Versorgungsnetzen möglich werden – ein wesentlicher Aspekt beim innerstädtischen Projekt in Essen. Supraleiter-Kabel könnten den Strom außerhalb der Stadtgrenzen von den Überlandleitungen übernehmen und in den Citys auch manches Umspannwerk überflüssig machen.


Supraleiter könnten auch Transformatoren, Generatoren und Motoren effizienter machen. Wenn sie die Kupferkabel ersetzen, werden kleinere und leichtere Modelle möglich. Leichte und zugleich leistungsstarke Elektromotoren würden selbst für Triebwerke von Flugzeugen interessant. Bei einigen Flugzeugbauern wird bereits über entsprechende Konzepte nachgedacht.

Schon seit langem bewähren sich Supraleiter übrigens in Forschungseinrichtungen und in der Medizintechnik. Teilchenbeschleuniger sind zum Beispiel mit supraleitenden Magnetspulen ausgestattet. Solche Magnete werden auch in der medizinischen Diagnostik verwendet. Der Magnetresonanztomograf (MRT) erzeugt dank Supraleitung ultrastarke Magnetfelder, um den Körper ohne Strahlenbelastung zu „durchleuchten". Vakuumtechnik hilft auch hier bei der nötigen Kühlung und Isolierung.

Busch liefert weltweit Vakuumsysteme für die Kühlung und Isolierung von supraleitenden Kabeln und Magnetspulen.

Hochpräzise Diagnostik mit MRT

Aus der medizinischen Diagnostik sind Magnetresonanztomografen (MRT, auch „Kernspin" genannt) nicht mehr wegzudenken. Sie liefern Bilder aus dem Körper mit vielen Details, die man auf einem Röntgenbild nicht zu sehen bekommt. Ein geschultes Auge kann auf dem Kernspin-Tomogramm auch Verletzungen von Muskeln, Bändern, Sehnen, Blutgefäßen und sogar Nerven erkennen. So erhalten Ärzte wichtige Informationen für chirurgische Eingriffe oder für die Behandlung von Tumorerkrankungen.

Die Aufnahmen entstehen mithilfe ultrastarker Magnetfelder und Radiowellen, welche die Wasserstoff-Atomkerne im Körpergewebe zum Tanzen bringen. Diese Bewegung, der Kernspin, erzeugt elektromagnetische Wellen. Sie werden vom MRT aufgezeichnet und durch Datenauswertung in kontrastreiche Bilder der Körperstrukturen umgerechnet. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen, die vor allem Knochen deutlich abbilden können, werden im MRT auch die weichen Körpergewebe mit hoher Detailauflösung dargestellt. Da das Gerät die Messung in millimeterdünnen Schichten vornimmt, können diese Aufnahmen zudem zu 3D-Bildern zusammengesetzt werden. Das für die Bildgebung erforderliche Magnetfeld ist je nach Einsatzgebiet 20.000- bis 100.000-mal stärker als das der Erde. Solche Feldstärken können nur mit supraleitenden Magnetspulen aufgebaut und aufrechterhalten werden.


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