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2G – Wirtschaftliche Bandleiter für Energietechnik und Industrie

Supraleitende Bänder der zweiten Generation (2G) haben eine noch höhere Stromtragfähigkeit als ihre Vorgänger. Sie sind außerdem mechanisch robuster, lassen sich einfacher zu Spulen wickeln und können problemlos mit industriellen Verfahren verarbeitet werden. Die 2G-Drahttechnologie ist damit für kommerzielle Anwendungen in mehrfacher Hinsicht attraktiver.

Die Basis der 2G-Leiter ist ein Metallband, das aus Hastelloy oder einer Nickel-Wolframlegierung besteht. Dieses Trägermaterial (das „Substrat“) ist entweder texturiert (RABiTS – Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate) oder extrem glatt. Mit chemischen und/oder physikalischen Verfahren werden auf die Oberfläche des Metallbands zunächst sehr dünne keramische Schichten, die als Puffer wirken, dann eine möglichst einkristalline supraleitende Schicht aus Yttrium-Barium-Kupfer-Oxyd und abschließend eine Schutzbeschichtung aufgebracht. Aufgabe des Puffermaterials ist es, unerwünschte chemische Reaktionen zwischen Supraleiter und Metallband zu vermeiden. Auf glatten Metallbändern erzeugt die erste Pufferschicht zudem die Orientierung, an der sich das Kristallwachstum der Supraleiterschicht ausrichtet. Für die Produktion von 2G-Draht kommen folgende Beschichtungsverfahren zum Einsatz:

  • Chemische Lösungsbeschichtung – Chemical Solution Deposition (CSD)
  • Chemische Gasphasenbeschichtung – Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD)
  • Physikalische Gasphasenabscheidung, – Physical Vapour Deposition (PVD) – bei der das Beschichtungsmaterial in den gasförmigen Zustand überführt wird und anschließend auf dem Substrat kondensiert. Verfahren der physikalische Gasphasenabscheidung auf texturierte Substratbänder sind
    – Kathodenzerstäubung – Sputtern
    – Elektronenstrahlverdampfung
    – Laserablation – Pulsed Laser Deposition (PLD)

    Das Beschichten glatter Substratbänder erfolgt durch
    – Ionenstrahlgestützte Deposition – Ion Beam Assisted Deposition (IBAD)
    – Schrägbedampfen – Inclined Substrate Deposition (ISD)

 

Alle Beschichtungsverfahren weisen spezifische Vorteile auf: Die chemische Lösungsbeschichtung zeichnet sich durch einen hohen Fertigungsdurchsatz aus, da sie nicht unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden muss. Die Fertigung mit physikalischen Beschichtungsverfahren ist aufgrund der dort erforderlichen Hochvakuumtechnik aufwändiger, die erzeugten supraleitenden Schichten zeichnen sich bisher aber auch durch höhere Performance aus.

Die Supraleiterschichten in 2G-Bandleitern weisen typischerweise Stromdichten von über 10.000 A/mm² auf und lassen sich sehr rohstoffeffizient herstellen. Dieser Leitertyp ermöglicht eine immer breitere wirtschaftliche Nutzung von Supraleitersystemen. Die Produktionskapazitäten werden weltweit ausgebaut.