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Das nächste Level der Supraleittechnologie: Noch mehr Effizienz für Supraleiter

Mit Hilfe eines hochpräzise Ultrakurzpulslasers haben Wissenschaftler des KIT die Wechselstromverluste in Hochtemperatursupraleitern um zwei Größenordnungen reduziert. Das Geheimnis: Filamentisierung im µm-Bereich.

Die Lasermikrobearbeitungsanlage der GFH GmbH arbeitet mit einer Pulsfrequenz von 400 kHz. Weil jeder Puls weniger als 10 ps dauert, kann die ins Material eingebrachte Energie sehr gut kontrolliert werden. Bildquelle: © KIT

Die Lasermikrobearbeitungsanlage der GFH GmbH arbeitet mit einer Pulsfrequenz von 400 kHz. Weil jeder Puls weniger als 10 ps dauert, kann die ins Material eingebrachte Energie sehr gut kontrolliert werden.

Die Trenngräben zwischen den Filamanten sind meist nur 20 µm breit. Bildquelle: © KIT

Die Trenngräben zwischen den Filamanten sind meist nur 20 µm breit.

In gewundenen Hochtemperatur-Supraleitern reduziert die Magnetisierung im Wechselstrombetrieb die Übertragungseffizienz. Forscher des Instituts für Technische Physik (ITEP) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeiten deshalb daran, diesen unerwünschten Effekt zu minimieren, indem sie die Bandleiter in bis zu 120 Filamente strukturieren.

Um in den dazu nötigen winzigen Dimensionen – die Trenngräben sind meist nur 20 µm breit – exakte Schnitte setzen zu können, nutzen sie dazu als weltweit erstes Institut in der Energieforschung eine hochpräzise Ultrakurzpulslaserbearbeitungsanlage der GFH GmbH: Die kurzen Pulse bis hinunter zu 10 ps  verhindern, dass Wärmeeintrag das Material beeinträchtigt, während die spezielle Konstruktion eine Wiederholgenauigkeit von 0,5 µm ermöglicht. Bei Leitern mit Silberdeckschicht konnten die Verluste so bereits um zwei Größenordnungen verringert werden.    

Einer der derzeit vielversprechendsten Supraleiter ist ein Yttrium-Barium-Kupferoxid-Gefüge (YBCO), das schon bei 92 K
(-181,15 °C) seine besondere Eigenschaft entfaltet. Dieser keramische Leitertyp wird aus mehreren dünnen Schichten aufgebaut, von einem 50 bis 100 µm dicken metallischen Substratband und einem Puffer mit mehreren 100 nm über den nur 1 µm dicken eigentlichen Supraleiter bis zur 2 µm starken Silber-Schutzschicht. Zusätzlich kann je nach Anwendung Kupfer in unterschiedlicher Dicke zur elektrischen Stabilisierung aufgebracht sein, das beim Ausfall des Supraleiters ein Durchbrennen verhindert. Durch die Dünnschichttechnologie lässt sich der Leiter wie Metalldraht formen. Diese Nutzbarkeit in Windungen, wie in Transformatoren oder Generatoren, bringt aber auch ein Problem mit sich: Das sich dabei bildende senkrechte Magnetfeld führt zu deutlichen Wechselstromverlusten aufgrund von Hysterese.

Pikosekundenlaser für kontrollierten Energieeintrag

Da der Effekt proportional zum Seitenverhältnis des Leiterbands ist, lag die Idee nahe, das 12 mm-Band so zu strukturieren, dass sich schmalere Einheiten ergeben. »Für diese Filamentisierung gibt es verschiedene Ansätze, etwa das chemische Ätzverfahren, das aber keine sehr schmalen Spurbreiten erlaubt und zudem auch auf andere Bereiche übergreifen kann«, sagt Dr. Rainer Nast vom ITEP in Karlsruhe. Um möglichst wenig leitendes Material zu verlieren, sollen die Schnitte nur rund 20 bis maximal 50 µm breit sein – eine Dimension, bei der sich Laser als präzises Schnittwerkzeug anbieten. »Allerdings ist der Wärmeeintrag bei herkömmlichen Lasern so hoch, dass die umliegenden Werkstoffe beeinträchtigt werden.« Das ITEP entschied sich deshalb, in den Versuchen einen Pikosekunden-Laser in einer speziellen Lasermikrobearbeitungsanlage der GFH GmbH einzusetzen.

Bei der verwendeten Strahlquelle handelt es sich um einen Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1.030 nm und einer Maximalleistung von 25 W, der mit einer Pulsfrequenz von 400 kHz betrieben wird. Jeder Puls dauert weniger als 10 ps, was den Vorteil hat, dass die ins Material eingebrachte Energie durch die extrem kurzen Laserpulse sehr gut kontrolliert werden kann. So werden zum Strukturieren der mit Silber beschichteten Supraleiter lediglich 20 Prozent der Leistung eingesetzt und bei den Kupfer-gedeckten Leitern 50 Prozent. Das ermöglicht es, auf dem Leiterband bis zu 120 klar definierte Filamente anzulegen, die im Minimalfall nur noch 80 µm breit sind.

Exakte Laserführung für wiederholtes Abtragen

Die je nach Schichtaufbau des Supraleiters 4 bis 25 µm tiefen Gräben zwischen den leitenden Streifen entstehen jedoch nicht in einem Durchgang, sondern durch wiederholtes Abfahren derselben Spur. »Bei Leitern mit Silberdeckschicht muss jede Rille etwa zehnmal abgefahren werden, bei einer Kupferbeschichtung sogar bis zu fünfzigmal«, so Nast. »Die Positionier- und Wiederholgenauigkeit des Lasers war daher von entscheidender Bedeutung.«

Um diese zu gewährleisten, sind die Anlagen von GFH auf eine hohe Steifigkeit und Pointingstabilität ausgelegt: Eine Linearführung gewährleistet eine Positioniergenauigkeit von ± 3 µm und eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,5 oder 1 µm auf den X- und Y-Achsen beziehungsweise eine Positioniergenauigkeit ± 4 µm und eine Wiederholgenauigkeit ± 2 µm auf der Z-Achse, so dass sich die einzelnen Abtragsspuren einer Rille sauber überlagern. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit liegt bei 30 m/min in den X- und Y-Achsen und bei 60 m/min in der Z-Achse, wodurch trotz der hohen Präzision eine rationelle Fertigung der Filamente ermöglicht wird.   

ITEP als Vorreiter für effiziente Supraleitertechnik

Seit der Inbetriebnahme des Systems Ende 2011 konnte das ITEP bereits mehrere Projekte zusammen mit Partnern aus der Industrie realisieren, die sich mit der Reduzierung von Wechselstromverlusten befassten. »Wir waren damals einer der Ersten weltweit, die ein solches Verfahren anwendeten«, berichtet Nast. »Dank der UKP-Laserbearbeitungsanlage haben wir seither in diesem Bereich eine Vorreiterrolle inne.« Derzeit erweitert GFH die vorhandene Analgentechnik um eine Rolle-zu-Rolle-Automatisierung, mit der in Zukunft die Fertigung von beliebigen Längen ermöglicht werden soll.

Die Filamentisierung von Supraleitern mit Ultrakurzpulslasern hat sich inzwischen als effiziente Methode erwiesen – auch wenn sich gezeigt hat, dass mit steigender Filamentzahl Kopplungsverluste eine wachsende Rolle spielen. Aber auch hierfür arbeitet das Karlsruher Institut bereits an Lösungen, etwa mittels Oxidierung der Leiter mit Silberdeckschicht.