KC4: Forschung und Anwendung bei beschichteten Leitern verbinden
Fortschritte bei Hochtemperatursupraleitern für angewandte Technologien
In den letzten Jahren wurden Hochtemperatursupraleiter (HTS) intensiv für verschiedene Anwendungen wie Hochfeldmagnete, Fusionsmagnete und Strombegrenzer entwickelt. REBCO HTS-Bänder, die in diesen Anwendungen eingesetzt werden, sind Hybridmaterialien, die aus dünnen, geschichteten supraleitenden Bändern innerhalb einer mehrschichtigen, beschichteten Leiterstruktur (CC) aus Metallen wie Silber, Kupfer oder Edelstahl bestehen.
Die Leistung solcher supraleitenden Bänder wird durch mehrere Parameter charakterisiert, darunter die kritische Temperatur, der kritische Strom (Ic) unter verschiedenen technologischen Bedingungen (z. B. hohe Magnetfelder und niedrige Temperaturen), der Grenzflächenwiderstand und die elektromechanischen Eigenschaften.
KC4 (KIT-CERN Collaboration on Coated Conductors) am ITEP ist ein einzigartiges, frei zugängliches HTS-Syntheselabor für beschichtete Leiter, das die Lücke zwischen Laborforschung im kleinen Maßstab und der Produktion längerer Bänder für eine Reihe von Anwendungen schließen soll. Es handelt sich um ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsprojekt des KIT und des CERN im Zeitraum 2022-2026, das auf der etablierten Bruker CC-Technologie für lange CC und breite Bänder basiert.
Laufende Forschungsthemen
Die Rolle von KC4 in der skalierbaren HTS-Bandproduktion
Um qualitativ hochwertige beschichtete Leiter mit bestimmten Eigenschaften herzustellen, müssen zahlreiche Parameter sorgfältig kontrolliert werden.
Grenzflächenwiderstand: Ein Schlüsselfaktor für die Leistung von HTS-Bändern
Ein wichtiges Merkmal eines HTS-Bandes ist sein Grenzflächenwiderstand zwischen der supraleitenden Schicht und den umgebenden Schichten. Dieser Widerstand hat einen starken Einfluss auf die Stromübertragungslänge (CTL) und die Geschwindigkeit der Normalzonenausbreitung (NZP). Der Grenzflächenwiderstand variiert jedoch bei handelsüblichen HTS-Bändern oft um Größenordnungen, was eine große Herausforderung darstellt. Diese Schwankungen können auf Unterschiede in den Abscheidungsmethoden der ersten Metallschicht, die Behandlung des Bandes vor der Silberabscheidung oder die Qualität der Silberschicht selbst zurückzuführen sein. Um diese systematischen Einflüsse besser zu verstehen, werden bei den mit KC4 hergestellten Bändern verschiedene Parameter für die Silberabscheidung und unterschiedliche Silberlegierungen verwendet.
Elektromechanische Leistung und ihr Einfluss auf die Verwendbarkeit von HTS
Ein weiterer entscheidender Parameter ist die elektromechanische Leistung von HTS-Bändern. Es ist bekannt, dass diese Leistung von Hersteller zu Hersteller und sogar zwischen verschiedenen Chargen desselben Herstellers erheblich schwankt. Diese Variabilität ist besonders problematisch bei Anwendungen mit hohen Magnetfeldern, wo Unterschiede in der Delaminationsfestigkeit oder die Abhängigkeit von Ic von Zug- und Druckbelastungen die Verwendbarkeit der Bänder erheblich einschränken können. Daher konzentriert sich die Forschung bei KC4 auf ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Faktoren, die die elektromechanische Leistung - insbesondere die Delaminationsfestigkeit - beeinflussen, um die Eignung dieser Bänder für Hochfeldanwendungen zu verbessern.
Künstliche Pinning-Experimente
Spezielle Anwendungen - wie solche mit niedrigen Temperaturen und hohen Magnetfeldern - erfordern eine maßgeschneiderte Abstimmung des REBCO-Materials, um Magnetfeldwirbel effektiv zu "pinnen". Dieses "Pinning" verhindert deren Bewegung und "friert" das Magnetfeld innerhalb der supraleitenden Matrix ein. Eine solche Abstimmung kann durch die Einführung künstlicher Pinning-Zentren in das REBCO-Material erreicht werden. Obwohl bereits zahlreiche Experimente im Labormaßstab durchgeführt und veröffentlicht wurden, ist es von entscheidender Bedeutung, dieses Know-how auf die Herstellung praktischer beschichteter Leiter (CC) zu übertragen. Die KC4-Linie bietet hierfür eine wertvolle Gelegenheit.