Hochtemperatur-Supraleiter in der Technik: 20 Jahre

DOI: 10.1002/piuz.200601103
20 Jahre Hochtemperatur-Supraleitung
Hochtemperatur-Supraleiter
in der Technik
A LEX M ALOZEMOFF | J OCHEN M ANNHART | D OUGLAS S CALAPINO
1986 entdeckten J. Georg Bednorz und K. Alex Müller die
Hochtemperatur-Supraleitung, 1987 erhielten sie dafür den
Nobelpreis für Physik. Zwei Jahrzehnte danach sind die
komplexen Materialien in überraschenden Anwendungen auf
den Markt.
wanzig Jahre nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung [1] stellt sich die spannende Frage,
welche technischen Anwendungen der Supraleiter heute
in der kommerziellen Nutzung angekommen sind. Tatsächlich gibt es schon seit einigen Jahren Kabel und SQUIDs
(Superconducting Quantum Inference Devices) aus diesen
Supraleitern. Doch wichtige kommerzielle Anwendungen,
die zurzeit im Kommen oder schon etabliert sind, sind der
Öffentlichkeit kaum bekannt. Dazu zählen zum Beispiel Synchronmotoren zur dynamischen Regelung der Blindleistung
in Hochspannungsnetzen, Mikrowellenfilter für Mobilfunk-Basisstationen und Spezialmagnetsysteme für die Forschung.
Das fundamental Neue der Hochtemperatur-Supraleiter
(HTS) war die hohe kritische Temperatur Tc, bei der die Supraleitung einsetzt. Diese kann bis zu 135 K betragen [2].
Das ermöglicht eine wesentlich effizientere Kühlung als bei
herkömmlichen Supraleitern und bietet einen großen Vorteil bei technischen Anwendungen. Die Verwirklichung
wettbewerbsfähiger HTS-Produkte wurde jedoch durch
zahlreiche Hindernisse gebremst. Es ist spannend zu sehen,
wie es gelang, diese Hürden zu überwinden.
Zuerst musste man lernen, wie man aus den spröden
HTS-Keramiken, die mehrere Phasen und Morphologien bilden, nützliche Materialien herstellt. Eine zweite, in mancher
Hinsicht diffizilere Hürde bestand im Erkennen der eigentlichen Vorteile, die HTS für spezifische Anwendungen bringen, und in der Aufgabe, diese Vorteile in kostengünstige
Produkte umzusetzen.
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Z
Das Materialproblem
Hochtemperatur-Supraleiter gehören zu den kompliziertesten Materialien, die jemals für praktische Anwendungen
erforscht wurden [3]. Ein großes Problem ist die Notwendigkeit, ihre chemische Zusammensetzung präzise bei den
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In der Kristallstruktur von YBa2Cu3O7 (YBCO) trennen
Yttrium-Atome jeweils zwei CuO2-Ebenen. Barium-Atome
trennen wiederum die CuO2-Ebenen von Kristallebenen mit
CuO-Ketten (Grafik: G. Hammerl).
hohen Temperaturen zwischen 700 und 800 °C zu kontrollieren, bei denen sich die vielkomponentigen Verbindungen bilden. Ebenso problematisch sind ihre Sprödheit,
die Flüchtigkeit mancher ihrer Komponenten und der Bedarf an inerten, thermisch- und kristallgitterangepassten
Substraten.
Einer der für die Anwendungen wichtigsten Hochtemperatur-Supraleiter ist YBCO (YBa2Cu3O7-δ), das ein Tc von
93 K aufweist. Abbildung 1 zeigt seine Kristallstruktur. Ein
Merkmal dieser Kupratsupraleiter sind Ebenen aus Kupferund Sauerstoff-Atomen, durch die der Suprastrom vorzugsweise fließt. Die Kohärenzlängen dieser Supraleiter, das sind
die kürzesten Längen, über die sich die supraleitenden Eigenschaften ändern können, sind extrem klein. Sie betragen
nur das Vier- bis Fünffache des Abstandes benachbarter Kupferatome in den Ebenen. Die geringen Kohärenzlängen bewirken, dass die lokale Stöchiometrie des Supraleiters ortsabhängige Parameter der Supraleitung beeinflusst. Dazu
zählt die supraleitende Energielücke, welche die Stärke der
Supraleitung widerspiegelt. Da die Energielücke in den Kupraten zudem eine kleeblattartige d-Wellensymmetrie aufweist, ist ein hohes Maß an kristalliner Orientierung in den
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Abb. 2 Im Mobilfunk werden epitaktisch gewachsene YBCOSchichten hoher Qualität in Mikrowellen-Filtern eingesetzt
(Foto: Superconducting Technologies Inc.).
Abb. 3 Dieses mit dem Rasterelektronen-Mikroskop abgebildete SQUID besteht aus einer strukturierten YBCO-Schicht
auf einem SrTiO3-Bikristall. In der unteren Hälfte des Bildes
ist die 24°-Korngrenze (Pfeil) zu erkennen, von der die beiden
Josephson-Kontakte des SQUIDs (Kreise) gebildet werden
(Bild: C. W. Schneider, K. Wiedenmann).
Kupfer-Sauerstoff-Ebenen erforderlich. Korngrenzen, die
Kristallite unterschiedlicher Orientierung trennen, verhalten
sich als elektronische Schwachstellen und bilden erhebliche
Hindernisse für den Stromfluss. Die maximale Stromdichte
nimmt exponentiell mit dem Korngrenzenwinkel ab [4].
Die Vermeidung von Grenzflächen zwischen fehlorientierten Kristalliten ist also eine weitere Hauptaufgabe. Sie musste erst gelöst werden, bevor große Ströme durch diese
Supraleiter geschickt werden können.
Die höchsten Materialansprüche werden wahrscheinlich an die dünnen Schichten gestellt, die in Mikrowellenanwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in der Signalverarbeitung im Mobilfunk. Schwachstellen würden Mikrowellen-Verluste und unakzeptable Nichtlinearitäten verursachen. Deshalb müssen hierfür qualitativ hochwertige,
korngrenzenfreie Schichten produziert werden. In der Regel werden diese Schichten epitaktisch auf einkristallinen
Substraten gewachsen. Abbildung 2 zeigt eine solche
Schicht. Der Wachstumsprozess funktioniert nur bei einer
hohen Substrattemperatur (700-800 °C) in einer SauerstoffAtmosphäre. Zudem müssen die Ausgangsmaterialien für
die Deposition erst in die Gasphase gebracht werden. Dies
erfordert ein vernünftiges Vakuum.
Diese beiden Anforderungen widersprechen einander,
doch eine besondere Technik wird beiden gerecht. Dieses
reaktive thermische Koverdampfen ist eine Pionierleistung
der Technischen Universität München [5]. Die Münchner
Gruppe montiert dazu die Substrate auf eine Trägerplatte,
die rotieren kann und sich größtenteils in einer mit Sauerstoff angereicherten, geheizten Kammer befindet. Beim Drehen der Platte verlassen die Substrate kurzfristig die Kammer und werden den Y-, Ba- und Cu-Verdampferquellen ausgesetzt. Beim Weiterrotieren treten die Substrate wieder in
die geheizte, sauerstoffreiche Kammer ein. Die so produzierten Schichten weisen bei 1 GHz und 77 K einen Oberflächenwiderstand von etwa 2 µΩ auf. Dies ist etwa zehntausendmal weniger als der entsprechende Widerstand von
Kupfer.
Bis jetzt haben wir uns mit den Schwierigkeiten befasst,
die durch die schwach koppelnden Zonen verursacht werden. Doch verschiedene elektronische Anwendungen nutzen diese ganz gezielt. An den schwach gekoppelten Bereichen treten einzigartige Quantenphänomene auf, die von
Brian Josephson (Nobelpreis für Physik von 1973) vorhergesagt wurden [6]. Diese Josephson-Kontakte lassen sich
mit hochwertigen HTS-Schichten kontrolliert produzieren.
Dazu werden beispielsweise epitaktische Schichten auf bikristallinen Substraten mit wohldefinierten Kristallitgrenzen gewachsen. Abbildung 3 zeigt solche Josephson-Kontakte in einem strukturierten YBCO-Film. Er wurde auf einem bikristallinen Substrat deponiert. Seine beiden verschiedenen kristallinen Orientierungsrichtungen sorgen gezielt für einen Kristallfehler in der YBCO-Leiterbahn und
INTERNET
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Stromnetz-Stabilisierung mit dem HTS-Synchronmotor
www.phiuz.de (Zusatzmaterial zu den Heften)
Infos und aktuelle Meldungen aus der Wirtschaft
www.techportal.de (dort Supraleitung wählen)
www.superconductors.org
American Superconductor Corporation
www.amsuper.com
Superconducting Technologies Inc.
www.suptech.com
Material für Lehrer und Schüler
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erzeugen damit den erwünscht
schwach koppelnden Kontakt.
Die meisten großtechnischen Anwendungen erfordern
kilometerlange, flexible und robuste Drähte, die hohe Ströme
tragen können. Die erste Generation kommerzieller HTS-Drähte besteht aus einer Matrix aus
Silber oder einer Silberlegierung, in die viele feine Filamente aus dem Hoch-Tc-Material
BSCCO-2223
(Bi1,8Pb0,3Sr2Ca2Cu3O10, Tc =
110 K) eingebaut sind (Abbildung 4). Die Drähte werden in
einem mechanischen Deformationsprozess hergestellt, der die
BSCCO-Kristallite in der SilberMatrix ausrichtet und dabei zudem großflächige Korngrenzen
ausbildet. Dadurch wird das
Abb. 4 Die HTS-Drähte der ersten Generation
bestehen aus einem Komposit von Silber und
Korngrenzen-Hindernis für den
Filamenten aus Bi1,8Pb0,3Sr2Ca2Cu3O10
Strom minimiert. Heute sind
(BSCCO-2223)
diese Drähte, die bei 77 K Strö(Foto: American Superconductor Corp.).
me mit Dichten von 150 A/mm2
und mehr transportieren können und damit den Anforderungen der meisten energietechnischen Anwendungen entsprechen, in Längen von bis
zu einem Kilometer auf dem Markt.
Eine zweite Strategie zur Erhöhung der Stromdichte besteht darin, die Kristallite der Drähte auszurichten. Dazu
texturiert man einen flexiblen Metallstreifen oder eine auf
ihm gewachsene Oxidschicht. Auf diese Oberfläche lässt
man den Supraleiter epitaktisch aufwachsen. Wenn diese
Bandsupraleiter einmal im großen Maßstab produziert werden, könnte ihr Preis-Leistungs-Verhältnis, gemessen in HerABB. 5
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KABEL
Flexible Innen- und Außenummantelung
für die Kühlung
Leitung für flüssigen Stickstoff
Supraleiter
Trägerelement
HochspannungsIsolation
Ein aktuelles HTS-Kabel im Querschnitt: Die HTS-Drähte sind
spiralförmig um jeweils einen von drei hohlen Kupferkernen
gewickelt. Dieses Kabel ist 100 m lang (Foto: Sumitomo Electric
Industries).
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stellungskosten/(kA⋅m), etwa dem der konventionellen Kupferkabel in der Hochstromtechnik entsprechen oder dieses
sogar unterbieten. Zudem transportieren die supraleitenden Drähte den Strom mit wesentlich geringeren Verlusten.
Aus einer Schmelze gezogene einkristalline, supraleitende Blöcke haben besondere Anwendungsgebiete. In den
zurzeit erhältlichen zentimetergroßen Blöcken werden
Magnetfelder so stark verankert, dass sich damit bei 29 K
Felder bis zu 17 T einfrieren lassen [7]. Diese superstarken Magnete können zum Beispiel in berührungs- und reibungsfreien Lagern von Schwungrädern eingesetzt werden
(siehe auch Physik in unserer Zeit 2004, 35(3), 134).
Anwendungen in der Energietechnik
Die größte Chance für den kommerziellen Einsatz von
Hochtemperatur-Supraleitern liegt in der Energietechnik,
für die allerdings große Drahtlängen erforderlich sind. Solche Anwendungen umfassen Kabel, Motoren und Generatoren (beide insbesondere für Schiffsantriebe), Transformatoren, Strombegrenzer und Synchronmotoren zur dynamischen Regelung der Blindleistung im Hochspannungsnetz
[8].
Zu den am weitesten fortgeschrittenen HTS-Anwendungen gehören Übertragungs- und Verteilerkabel für Wechselstrom. Kabel dieser Art wurden erfolgreich in China, Dänemark, Japan, Mexiko und den USA demonstriert. Dabei
nimmt die Komplexität, Übertragungsleistung, Spannung
und Länge der Kabel stetig zu. Eines der technisch anspruchsvollsten HTS-Kabel ist das 100 m lange 66-kV-Kabel
mit kaltem Dielektrikum (das ist der Hauptisolator des
Kabels) von Sumitomo Electric Industries und der Tokyo
Electric Power Company. Es hat einen einjährigen Versuchsbetrieb am Central Research Institute of the Electric
Power Industry, der zentralen Forschungseinrichtung der
japanischen Stromversorger in Yokosuka, erfolgreich bestanden. Das Kabel nutzt drei Leiter für die drei Phasen des
Drehstroms (Abbildung 5). Darüber hinaus hat 2005 Furukawa Electric sogar ein 500 m langes 77-kV-Kabel erfolgreich getestet.
In Zukunft wird man noch viel längere Kabel durch Verbinden von kilometerlangen Einzelstücken herstellen. Eine
durch das amerikanische Department of Energy (DOE) geförderte Kooperation von American Superconductor,
Nexans und Air Liquide baut das erste HTS-Kabel zum Verbleib in einem Stromnetz: Dieses 610 m lange 138-kV-Kabel mit einer Kapazität von 600 MW, das entspricht dem
Strombedarf von etwa 300 000 Haushalten, soll 2006 in das
Hochspannungsnetz der New Yorker Halbinsel Long Island
integriert werden. Andere Kabelprojekte werden gegenwärtig in den USA von IGC SuperPower und Ultera (Southwire/nkt cable) durchgeführt.
Der verbesserte Wirkungsgrad ist eine wichtige Eigenschaft der HTS-Kabel. Aber einen noch stärkeren Anreiz für
ihren kommerziellen Einsatz bietet ihre Übertragungsleistung, die weit über derjenigen konventioneller Kabel gleichen Durchmessers liegt. Drähte aus HTS-Material können
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effektive Stromdichten von mehr als 100 A/mm2 tragen. Das
ist hundertmal mehr als die Effektivstromdichte, die Kupferdrähte gewöhnlich in Übertragungsleitungen transportieren. Damit lassen sich in existierenden Kabelschächten die
konventionellen Kabel durch deutlich leistungsfähigere, supraleitende ersetzen. Inklusive ihres Dielektrikums, des
Kryostaten und diverser Armierungen können die supraleitenden Kabel das Zwei- bis Fünffache der Leistung eines
herkömmlichen Kabels gleichen Querschnitts übertragen.
Darüber hinaus heizen HTS-Kabel ihre Umgebung nicht auf.
In Ballungsräumen mit einer Überfülle von unterirdischer
elektrischer Verkabelung, Kommunikationskabeln, Wasserund Abwasserrohren stellen solche Kabel mit ihrer erhöhten Übertragungsleistung und ihren reduzierten Einflüssen
auf die Umwelt einen enormen Vorteil dar.
Zusätzlich zur höheren Leitungskapazität erlaubt die hohe Stromdichte der HTS eine leichtere und kompaktere Bauweise von Transformatoren. Davon profitieren besonders
mobile Systeme wie etwa Lokomotiven.
Das Stromnetz muss hohen Fehlerströmen widerstehen
können, also plötzlichen Stromanstiegen durch einen Kurzschluss zur Masse. Um das Netz zu schützen, sind Unterbrecher so ausgelegt, dass sie den Stromkreis innerhalb einiger Zehntelsekunden öffnen können. Einige Strombegrenzer vertragen dabei kurzzeitig bis zu 80 000 A. Da den
expandierenden Stromnetzen immer mehr Stromquellen
zugeschaltet werden, sind die Kurzschlussströme angestiegen, und die Nachfrage nach Strombegrenzern ist gewachsen. Ein Ansatz, um diesem Problem zu begegnen, ist der resistive Strombegrenzer. Dieser nutzt das Phänomen, dass
Supraleiter bei Überschreiten eines kritischen Stroms vom
supraleitenden in den normalleitenden Zustand schalten,
in dem die HTS einen hohen Widerstand aufweisen. Verschiedene resistive Strombegrenzer wurden und werden
von ABB, ACCEL Instruments GmbH, IGC SuperPower, Siemens und anderen gebaut. ACCEL hat einen 10 kV-10 kAPrototypen in Deutschland über mehr als ein Jahr im Stromnetz der RWE getestet. Dieser wird nun im Forschungszentrum Karlsruhe geprüft. Darüber hinaus begann ein
110-kV-Strombegrenzer-Projekt unter der Federführung des
Hannoveraner Kabelherstellers Nexans Deutschland Industries GmbH.
Elektrische Motoren und Generatoren stellen ein weiteres Gebiet der HTS-Energietechnik dar, das relativ weit
entwickelt ist (Abbildung 6). Es wird von American Superconductor, General Electric Co., Rockwell Automation Inc.
und Siemens erforscht [9].
Siemens präsentierte schon 2005 einen Generator mit
4 MW elektrischer Leistung. American Superconductor entwickelt einen 36,5 MW (50 000 PS) starken Schiffsantriebsmotor für die zukünftige Generation von Zerstörern
der US-Navy. Ein kleinerer 5-MW-Motor hat bereits erfolgreich Fertigungs- und Labortests absolviert. Die geringen
Verluste der HTS erlauben den Betrieb der 5-MW-Maschine
mit standardmäßig verfügbaren Kühlern, die sehr wenig
Energie verbrauchen.
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HTS-Rotor und Kupfer-Statorspule in einem HTS-Motor oder einem HTS-Generator.
Der Rotor wird durch Helium-Gas oder durch flüssiges Neon gekühlt. Die Spulen des
Rotors bestehen aus einem HTS-Draht, der bei etwa 30 K und 2 T betrieben wird. Die
Spulen des Stators sind elektrisch mit der Außenwelt verbunden.
Auf HTS basierende, rotierende Maschinen bieten mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Geräten. Die Nettoverluste – einschließlich der Kühlverluste – können im
Vergleich zu konventionellen Motoren und Generatoren,
die bereits einen hohen Wirkungsgrad besitzen, halbiert
werden. Die höheren Magnetfelder der HTS-Rotorspulen
erlauben den Bau von Motoren, die zwischen Rotor und
Stator größere Scherkräfte entwickeln. Daher sind Konstruktionen mit Hochtemperatur-Supraleitern besonders
kompakt und leichtgewichtig. Der HTS-Schiffsmotor mit
36,5 MW von American Superconductor ist zum Beispiel so
konstruiert, dass er nur ein Fünftel des Gewichts und Volumens eines entsprechenden konventionellen Motors aufweist. Schiffsbauingenieure können von dieser Kompaktheit profitieren. Sie können neuartige Schiffsrümpfe konstruieren, die mehr Raum für Ladung und Passagiere bieten,
höhere Geschwindigkeiten und eine verbesserte Manövrierbarkeit des Schiffs ermöglichen.
Stabilisierung des Stromnetzes
Ein überraschender Ableger der HTS-Motoren und -Generatoren ist der Synchronmotor zur dynamischen Regelung
der Blindleistung. Im Wesentlichen ist er, wie ein Generator, eine rotierende Maschine. Er ist jedoch nicht an eine
äußere mechanische Energiequelle gekoppelt, die den Rotor antreibt. Ein solcher Synchronmotor stellt dem Netz
Ströme mit einstellbarer Phasenlage zur Verfügung. Im Folgenden wollen wir kurz skizzieren, wie er im Netz wirkt.
Auf www.phiuz.de finden näher Interessierte unter „Zusatzmaterial zu den Heften“ eine detaillierte Erklärung.
Die mit einer möglichen Phasenverschiebung zwischen
Strom und Spannung verknüpfte Blindleistung ist ein wesentlicher Faktor der Belastung eines Wechselstrom-Hochspannungsnetzes. Der Minimalstrom, der für eine am Verwww.phiuz.de
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leistung liefern – sowohl kapazitive als auch induktive. Er
ist so kompakt gebaut, dass er in einen Lastwagenanhänger
passt (Abbildung 7), und kann deshalb nach Bedarf an beliebigen Verteilerstationen eingesetzt werden. Nach dem
erfolgreichen Test des Prototyps, hat TVA zwei weitere Synchronmotoren bestellt. Dies ist weltweit der erste kommerzielle Auftrag für HTS-Energieanlagen.
Mobilfunk-Filter
Abb. 7 Schutz vor Spannungsinstabilitäten im Hochspannungsnetz. Dieser Synchronmotor zur dynamischen Regelung
der Blindleistung im Netz ist so kompakt, dass er in einen
Lastwagenanhänger passt (Foto: American Superconductor Corp.).
braucher abzugebende Wirkleistung benötigt wird, entspricht einer Phasenverschiebung von Null und damit einer
verschwindenden Blindleistung. Wenn viele Verbraucher
gleichzeitig dem Netz Leistung entnehmen, dann steigt eine bereits vorhandene Phasenverschiebung: Der Versorger
muss zusätzlichen Strom ins Netz speisen, um dieselbe Leistung an den Verbraucher zu liefern. Viele Verbraucher bedeuten zudem eine Parallelschaltung vieler ohmscher Widerstände auf der Verbraucherseite. Das verringert letzten
Endes die Spannung beim Verbraucher. Sobald diese einen
kritischen Wert unterschreitet, wird das gesamte Elektrizitätsnetz instabil: Die Spannung bricht zusammen. Ein solcher Zusammenbruch war ein entscheidendes Glied in der
Ereigniskette, die zum Stromausfall am 14. August 2003 in
den USA und in Kanada geführt hat.
Im Netz gibt es nun zwei Arten von Blindwiderständen,
das sind die Widerstände, die eine Phasenverschiebung verursachen. Bei den induktiven Blindwiderständen hinkt der
Strom der Spannung hinterher, bei kapazitiven Blindwiderständen eilt umgekehrt der Strom der Spannung voraus.
Das zeitweise Einfügen kapazitiver oder induktiver Elemente kann also den Zusammenbruch der Spannung verhindern oder deutlich abschwächen. Das Fehlen einer
solchen „dynamischen Blindleistungskompensation“ ist zum
Beispiel ein kritischer Mangel des heutigen US-Stromnetzes. Die Stromversorger wenden zwar zahlreiche konventionelle Methoden der Blindleistungskompensation an, der
HTS-Synchronmotor verspricht jedoch viele Vorteile. Dazu
zählen eine große Ausgangsblindleistung, ein hoher Wirkungsgrad, schnelle dynamische Reaktion, ein großer Dynamikbereich, ein Minimum an Einschaltstromstößen und
langfristige Zuverlässigkeit, die von der stabilen Betriebstemperatur der HTS-Spulen herrührt.
Unter Verwendung von HTS-Draht der ersten Generation hat American Superconductor einen Synchronmotor
zur dynamischen Regelung der Blindleistung hergestellt, der
ein Jahr lang im Stromnetz der Tennessee Valley Authority
(TVA) getestet wurde [9]. Dieser kann bis zu 8 MW Blind166
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Benutzt man ein Mobiltelefon, dann sendet dieses ein Signal im Mikrowellenbereich an die Antenne einer Basisstation des Mobilfunknetzbetreibers. Mobiltelefone haben jedoch nur eine begrenzte Sendeleistung, üblicherweise etwa
200 mW oder weniger. Da die Nachfrage nach mobiler Kommunikation ständig wächst, bietet das eine wichtige Einsatzöglichkeit für HTS-Materialien. Die Reichweite und die
Kapazität der Basisstationen lässt sich durch die Ausrüstung
mit supraleitenden Frequenzfiltern in Dünnschichttechnologie, kombiniert mit gekühlten, rauscharmen Vorverstärkern erhöhen [10]. In den USA werden bereits etwa 4000
HTS-Filter in Mobilfunk-Basisstationen eingesetzt.
Der HTS-Filter wird zwischen die Antenne der Basisstation und den Empfänger geschaltet (Abbildung 8). Dieser
verstärkt das Signal und extrahiert die enthaltene Information. Abbildung 8 vergleicht die Durchlasscharakteristika
eines Standardfilters aus normalleitenden Metallen und eines HTS-Filters, wie er bei Superconducting Technologies
Inc. gefertigt wird. Sie demonstrieren die deutlich bessere
Selektivität des supraleitenden Filters: Er ist nur in einem
Frequenzband zwischen 833 und 850 MHz durchlässig und
kommt dem hoch selektiven Frequenzgang eines idealen Filters schon sehr nahe. Aber warum ist die Selektivität so
wichtig? Das liegt daran, dass Verstärker und Signalprozessoren nichtlinear arbeiten. Deshalb mischen sie dem Nutzsignal unerwünschte Signale zu, die außerhalb des Durchlassbandes liegen. So entstehen innerhalb des Bandes neue
Signale, die als Rauschen das gewünschte Signal stören.
Der Filter von Superconducting Technologies besteht
aus hochwertigen YBCO-Schichten. Diese werden epitaktisch auf ein 500 µm dickes, dielektrisches Substrat aufgebracht. Solche Schichten haben einen niedrigen Oberflächenwiderstand. Sie weisen auch eine hohe „Intermodulations-Stromdichte“ auf, das ist eine zweite, in der Praxis sehr wichtige Kenngröße. Dieser Parameter JI kennzeichnet das nichtlineare Verhalten des Filters. Er beschreibt
speziell den Grad, um den eine Suprastromdichte J die lokale Dichte der supraleitenden Ladungsträger ns reduziert
[11]. Bei den tiefen Betriebstemperaturen der HTS-Filter gilt
ns(T, J) = ns(T) [1 – (J/JI)2].
Da die Eindringtiefe mit ns–1/2 variiert, enthält die effektive
Induktivität der Schicht eine kleine, aber störende nichtlineare Korrektur, die zu (J/JI)2 proportional ist. Ist JI hoch,
dann senkt folglich J die lokale Ladungsträgerdichte ns weniger. Polykristalline Schichten mit einer Vielzahl von
Schwachstellen haben deutlich kleinere Werte von JI als
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epitaktische, hochgradig kristalline Schichten, sind also
ungünstiger.
Hochselektive Filter bestehen aus einer großen Zahl gekoppelter Resonatoren. Solche Anordnungen können nur
realisiert werden, weil die HTS-Schichten niedere Verluste
aufweisen. Der in Abbildung 8 gezeigte Filter umfasst zehn
schwach gekoppelte Mikrostreifenresonatoren. Jeder einzelne besteht aus einem 200 µm breiten, gefalteten HTSStreifen, der durch das 500 µm dicke Magnesiumoxid-Substrat von der Masse-Ebene getrennt ist. Das Magnesiumoxid
hat eine Dielektrizitätskonstante von etwa 10. Ein 850-MHzResonator wird zwar 5,6 cm lang, weil er eine halbe Wellenlänge groß sein muss. Doch das Falten der Mikrostreifen
ermöglicht trotzdem sehr kompakt gebaute Filter.
Für seine beeindruckende Leistung braucht der HTS-Filter eine niedrige Betriebstemperatur. Das erzwingt zwar eine aufwendigere Kühlung als bei herkömmlichen Filtern.
Doch diese erlaubt auch den Einsatz von rauscharmen
Halbleitervorverstärker, die gleich mitgekühlt werden. Sie
heben das Signalniveau an und reduzieren so das effektive
Empfängerrauschen.
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umgangen werden. Inzwischen wurden mehrere elektronische Anwendungen realisiert, die vor 15 Jahren noch als
Science Fiction gegolten hätten. Wie gelang das?
Zunächst einmal verfügen Hochtemperatur-Supraleiter
über eine ausgesprochen große Kondensationsenergie. Deshalb kann die Reduktion dieser Energie am Josephson-Kontakt bei den meisten Anwendungen toleriert werden. Zweitens lernten die Festkörperphysiker mehr über die FeinABB. 8
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Josephson-Bauelemente
HTS können auch in aktiven elektronischen Bauelementen
eingesetzt werden. Diese nutzen zumeist Josephson-Ströme, die über schwach gekoppelte, supraleitende Bereiche
fließen. Man kann diese Ströme steuern, indem man die
Phasendifferenz der supraleitenden Zustände auf beiden
Seiten der Schwachstelle kontrolliert. Damit lassen sich Detektoren, Schalter und Standardnormale zum Beispiel für
elektrische Spannungen konstruieren, die bei extrem hohen
Frequenzen mit winziger Verlustleistung und mit sehr geringem Rauschen arbeiten [12]. Das SQUID ist ein Beispiel.
In den ersten Jahren nach Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung konnte allerdings niemand vernünftige Josephson-Kontakte herstellen. Die Probleme lagen in
den elementaren chemischen und physikalischen Eigenschaften der Kuprate und in ihrer komplexen Struktur. So
stellte zum Beispiel die kleine Kohärenzlänge der HTS eine
fundamentale Herausforderung dar, weil die Supraleiter
deshalb sehr anfällig für Defekte sind. Zudem erzeugten die
frühen supraleitenden Schichten ein nicht akzeptables elektronisches Rauschen. Die Ursache lag in der Bewegung magnetischer Flussquanten, die von Streufeldern herrühren.
Eine andere Schwierigkeit war die Energie, mit der die Elektronen in den supraleitenden Zustand kondensieren. In einem guten Josephson-Kontakt muss der Supraleiter bis zur
Grenzfläche des Kontakts eine große Kondensationsenergie
für die Elektronen in die supraleitende Phase aufweisen.
Wegen der kurzen Kohärenzlänge der HTSL schrumpft diese jedoch enorm, wenn der Supraleiter in der Nähe der
Grenzfläche chemisch oder strukturell gestört ist. Damit ist
dort auch die Supraleitung gestört, und der Josephson-Kontakt kann nicht richtig arbeiten.
Solche Hindernisse schienen zunächst sehr schwerwiegend zu sein, doch sie konnten teilweise gelöst oder
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a) Die HTS-Filter (schwarz) sind zwischen die Antenne und die
Empfänger der Basisstationen geschaltet. Unten: Dieser Filter
verwendet zehn gefaltete und schwach miteinander gekoppelte HTS-Streifenleitungen. b) Der Vergleich der Durchlasscharakteristika des HTS-Filters und eines gewöhnlichen, metallischen Filters zeigt die deutlich besseren Selektionseigenschaften des HTS-Filters (Grafik: Superconducting Technologies
Inc.).
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Zum Thema
Supraleitung.
Grundlagen und
Anwendungen,
Werner Buckel,
Reinhold Kleiner,
Wiley-VCH, Berlin
2004, XIV,
479 Seiten,
Softcover, 69,90 f.
ISBN
3-527-40348-5
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heiten des epitaktischen Wachstums komplexer Oxide. Dieses Wissen führte zu einem bemerkenswerten technischen
Fortschritt bei der HTS-Epitaxie. Heute sind hervorragende
rauscharme Filme kommerziell verfügbar, und zwar auf vielen Substratmaterialien. Diese erreichen bis zu 20 cm Durchmesser, was der Größe moderner Silizium-Waferscheiben
entspricht. Drittens weisen die Kuprate, im Unterschied zu
metallischen Tieftemperatur-Supraleitern, starke elektronische Korrelationen auf. Hinzu kommt eine große Anisotropie und eine abstimmbare Ladungsträgerdichte von etwa
5⋅1021/cm3. Das eröffnet ungeahnte Möglichkeiten. Wie eingangs schon gestreift, können zum Beispiel HTS-Materialien mit neuartigen Josephson-Kontakten wie Bikristallkorngrenzen (Abbildung 3) oder mit Stufenkontakten hergestellt
werden. Das sind praktikable Alternativen zu den planaren
Strukturen, die für die konventionelle Supraleiter-Technologie bei tiefen Temperaturen so wichtig sind.
Inzwischen ist es fast schon Routine, die HTS-JosephsonKontakte mit optimierten Rauschunterdrückungsmethoden
zu kombinieren und robuste, rauscharme SQUIDs zu bauen
[13]. Die heutigen SQUIDs erreichen bei 77 K ein weißes
Rauschen, das nur geringfügig über dem Rauschen kommerzieller, Niob-basierter SQUIDs liegt. Diese müssen allerdings bei 4,2 K betrieben werden.
SQUIDs versprechen in einer Reihe kommerzieller Anwendungen eine wichtige Rolle zu spielen. Sie ermöglichen
mit guter räumlicher Auflösung die Messung von Magnetfeldern, die von den Strömen des Herzmuskels erzeugt werden. Dies ist für die Kardiologie sehr nützlich. Eine völlig
andere kommerzielle Anwendung haben Tristan Technologies und die australische Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization entwickelt. Dort ist das
SQUID ein Teil eines Magnetometers, das in einem Flugzeug installiert ist. Es erlaubt anhand magnetischer Anomalien die Lokalisierung von Metallen, etwa in Erzlagerstätten, oder in Blindgängern aus der Luft [14]. Flüge dieser
Art erfordern eine zuverlässige Kryotechnik und Rauschunterdrückung. Deshalb stellen sie hohe Ansprüche an
SQUIDs. Entsprechende Fortschritte auf vergleichbaren Gebieten wurden auch in Deutschland erzielt, beispielsweise
am Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. in Jena
und am Forschungszentrum Jülich.
SQUID-basierte Sensoren ermöglichen auch außerordentlich leistungsfähige Magnetfeldmikroskope, die bereits
auf dem Markt sind. Zu den neuen Anwendungen gehören
auch der Biomagnetismus, die zerstörungsfreie Materialprüfung und die Magnetometrie. Hier gestatten neuartige
Quanteninterferenzfilter die absolute Stärke eines winzigen
Magnetfeldes messtechnisch zu erfassen.
Ein weiterer Schritt ist die Integration einer großen Zahl
von Josephson-Kontakten in Bauelemente der digitalen Elektronik [12]. Die größte Herausforderung ist hierbei die Herstellung einer Vielzahl von Kontakten mit nominell gleichen
Eigenschaften. Mehrere Gruppen haben bereits ermutigende Fortschritte erzielt. Das Forschungszentrum Jülich hat erfolgreich Spannungsnormale mit mehr als 1700 Kontakten
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hergestellt. An der Universität Twente in den Niederlanden
wurde ein kleiner Analog-Digital-Wandler realisiert und bei
175 GHz betrieben. In einem zukunftsweisenden Projekt
stellten Forscher aus Twente und vom IBM-Forschungszentrums in Yorktown Heights Schaltungen aus YBCO-NbRingen her, die 150 000 funktionierende Josephson-Kontakte auf einem Chip enthalten.
Auch HTS-Magnetanwendungen können erste kommerzielle Erfolge aufweisen. Vor kurzem hat zum Beispiel
die kalifornische Firma Quantum Design eine neue Option
eines ihrer Messsysteme zur Analyse elektronischer Materialien angekündigt. Dieses System nutzt zur Erzeugung
transversaler Felder einen mit Flüssigstickstoff gekühlten
Magneten, der von der Neuseeländischen Firma HTS-110
gefertigt wird. Dieses System verwendet auch kommerziell
erhältliche HTS-Stromzuführungen.
Fast zwei Jahrzehnte sind zwischen der Entdeckung der
Hochtemperatur-Supraleiter und den ersten fruchtbaren Anwendungen dieser bemerkenswerten Materialien vergangen. Dieser Zeitraum ist auch für andere neu entdeckte und
komplexe Materialien typisch, wie Lichtleiter oder III-VHalbleiter. Der Reifungsprozess der HTS-Technik hat viel
Engagement von Materialwissenschaftlern, Physikern, Chemikern, Elektro- und Maschinenbauingenieuren sowie Kabel- und Anlagenherstellern erfordert. Zeitweise erschien
die Kommerzialisierung der HTS jenseits des Möglichen.
Doch heute sind diese komplexen Materialien dabei, große
Märkte zu erschließen. Die technischen Anwendungen sind
dabei fast so überraschend und unerwartet wie die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter selbst.
Zusammenfassung
Zwanzig Jahre nach ihrer Entdeckung halten HochtemperaturSupraleiter Einzug in kommerzielle Anwendungen. Elektromotoren und Generatoren, etwa für Schiffe, supraleitende
Strombegrenzer und Schwungradsysteme werden gegenwärtig entwickelt. Solche elektrischen Maschinen sind kompakter und leichter als konventionelle und besitzen ein großes
Marktpotenzial. Die häufigsten kommerziellen Anwendungen sind gegenwärtig Mikrowellenfilter für Mobilfunk-Basisstationen, Synchronmotoren zur dynamischen Regelung der
Blindleistung in Stromnetzen sind auf dem Markt, erste Maschinen wurden schon kommerziell vertrieben.
Stichworte
Hochtemperatur-Supraleiter, supraleitende Kabel, supraleitende Motoren, supraleitende Generatoren, supraleitende
Mikrowellenfilter, SQUID, Josephson-Kontakt.
Danksagung
Wir bedanken uns für hilfreiche Diskussionen mit und für
Unterstützung durch H.-M. Cho, J. Clarke, R. Fagaly, G. Hammerl, R.B. Hammond, H. Hilgenkamp, S. Kalsi, B. Kehrli, T.
Kopp, K. Ohmatsu, M. Ross, C.W. Schneider, K. Tsukada, K.
Wiedenmann, B.A. Willemsen, Hitachi Ltd., Sky Research
Inc. und Tristan Technologies Inc. Für die Unterstützung bei
© 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
2 0 J A H R E H O C H T E M P E R AT U R - S U P R A L E I T U N G
der deutschen Übersetzung bedanken wir uns bei W. Prusseit, N. Hackenberger, W. Zoske und P. Komarek. G. Hammerl (IBM Forschungslabor, Rüschlikon) und M. Williams
(STI) danken wir für die Hilfe bei mehreren Abbildungen.
Die Arbeit wurde vom BMBF über das VDI (13N6918), von
der DFG (SFB484) und der Bayerischen Forschungsstiftung
(FOROXID) gefördert.
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T EC H N I S C H E PH YS I K
Die Autoren
Alex Malozemoff ist Vizepräsident und Technischer
Leiter von American Superconductor Corp. in Westborough, Massachusetts.
Literatur
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© 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Jochen Mannhart ist Professor am Institut für Physik
der Universität Augsburg, Deutschland.
Doug Scalapino ist Professor für Physik an der University of California in Santa Barbara und Mitglied
im wissenschaftlichen Beirat von Superconducting
Technologies Inc. in Santa Barbara, Kalifornien.
Anschrift:
Prof. Dr. Jochen Mannhart, EKM; Institut für Physik,
Universität Augsburg, Universitätsstrasse 1,
D-86135 Augsburg. [email protected],
[email protected],
[email protected]
www.phiuz.de
4/2006 (37)
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