Supraleiter können sehr gut Strom leiten. Wenn man aus Supraleitern eine Spule baut, dann kann man daraus auch sehr starke Elektromagneten bauen. Das Problem ist nur, dass die Supraleitung recht empfindlich auf starke Magnetfelder reagiert. Wenn das Magnetfeld in einem Supraleiter eine bestimmte Magnetfeldstärke überschreitet, dann ist es vorbei mit der widerstandslosen Stromleitung. Stärkere Magnetfelder sind aber auch ein Segen für die Kernfusion.

Das heißt übrigens auch, dass Supraleiter den Strom zwar widerstandslos leiten können, aber nicht beliebig viel davon. Denn bei der Stromleitung entstehen Magnetfelder in jedem Stromleiter und die werden um so stärker, um so mehr Strom durch den Querschnitt des Supraleiters fließt. Wenn man dann noch mehr Strom fließen lassen will, braucht man einen größeren Querschnitt.

Wie groß genau die maximale Magnetfeldstärke von einem Stück Supraleiter ist, hängt dabei nicht nur von dem Stoff ab, aus dem der Supraleiter besteht. Man kann also nicht sagen: Das ist ein Niob-Zinn Supraleiter, der hält eine Magnetfeldstärke von 12 Tesla aus. Die maximale Feldstärke hängt von der Temperatur und der Verarbeitung des Materials ab. Deswegen lohnt es sich auch Hochtemperatursupraleiter noch weiter abzukühlen. Außerdem steigt die maximale Feldstärke um so höher, um so weniger Fehler sich im Leitermaterial befinden. Die teilweise recht exotischen Materialien fehlerfrei herzustellen ist aber eine Kunst für sich, die man mit jedem neuen Material wieder aufs neue verfeinern muss.

Magnete waren bei der Entwicklung von neuen Supraleitern in den letzten Jahrzehnten aber eher zweitrangig. Es ging hauptsächlich darum, Supraleitung bei höheren Temperaturen zu erreichen. Das mag sich demnächst ändern, aber vorerst muss man mit dem arbeiten, was bisher entwickelt wurde.

Das Arbeitspferd für supraleitende Magnete war dabei zuletzt Niob-Zinn. Es wird beim LHC eingesetzt und soll auch die Magnetfelder im Fusionsreaktor ITER erzeugen. In der Praxis erreicht man damit Magnetfelder von etwa 14-15 Tesla. Allein das wäre schon ein großer Sprung in der Kernfusion. Die immernoch größten und leistungsfähigsten Fusionsreaktoren der Welt, wie der Joint European Torus (JET), basieren auf Technik der 1970er Jahre und erreichen nur Magnetfeldstärken von 3,5 Tesla. Wegen der fehlenden Finanzierung neuer Reaktoren halten sich auch die Steigerungen der Leistung von Fusionsreaktoren seit Jahrzehnten in den technischen Grenzen der 1970er Jahre.

Aber auch Niob-Zinn Supraleiter sind inzwischen nicht mehr aktueller Stand der Technik. Eines der neu entwickelten Materialien hört auf den Namen REBCO oder Rare-Earth Barium-Copper-Oxide. Schon 2008 warb ein Hersteller (wohl eine Tochter von Philips) damit, dass erste Magneten aus dem Material 26 Tesla erreicht haben. Im Jahr 2011 waren es schon 32 Tesla. Das ist natürlich ein Magnet, der auf maximale Feldstärke in einer drei Zentimeter großen Öffnung ausgelegt ist. Man erreicht sie nur, indem man mehrere Spulen ineinander verschachtelt. In diesem Fall zwei Niob-Titan Spulen außen, drei Niob-Zinn Spulen weiter innen und darin nochmal zwei verschachtelte Spulen aus REBCO. Die beiden REBCO Spulen bringen das Feld allein von 15 Tesla auf 32 Tesla.

Wenn man es auf weniger starke Magnetfelder abgesehen hat, kann man REBCO auch mit flüssigem Stickstoff kühlen. Entsprechende Konzepte für Magnetschwebebahnen ließen natürlich nicht lang auf sich warten.

Für Kernfusion braucht man aber große Magnete und die haben ihre eigenen Probleme, wie diese Probleme vor 5 Jahren aussahen, kann man hier lesen. Dabei sieht man auch gut, wie so ein REBCO Supraleiter aufgebaut ist. Der eigentliche Supraleiter ist nur eine dünne Schicht, die von einem Isolator umgeben ist, der mit einem Haftvermittler an ein Stück Stahl “geklebt” wurde. Der Stahl ist wichtig, weil er dem ganzen Stabilität verleiht. Auf der anderen Seite kommt eine dünne Schicht aus Silber zum Einsatz. Das alles wird dann zuletzt noch mit Kupfer ummantelt. Der Supraleiter an sich macht nur 1-2% des ganzen Volumens aus, was wohl einer der Punkte ist, die man noch verbessern kann.

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Kommentare (7)

  1. #1 Joshua
    11. August 2015

    Gibt es eigentlich Abschätzungen, ob die Fusionstechnik jemals funktionieren wird (als Ersatz für Atom, Kohle & Co.)? Also eine Studie mit der Aussage: zu 67 Prozent wird es einmal diese Technik geben.

    • #2 wasgeht
      11. August 2015

      Das Problem bei der Kernfusion ist nicht, ob sie funktioniert und ob man damit Energie erzeugen kann. Das geht auf jeden Fall. Die Frage ist nur, ob man die dafür nötigen Reaktoren kompakt genug und damit billig genug bauen kann.

      Wenn man den Reaktor nur groß genug baut, dann kann man eine Fusionsreaktion haben, die mehr Energie freisetzt als man zum Heizen braucht. Wenn man ein Plasma hat, dann gibt das seine Energie nach außen hin ab. Wenn “außen” nochmal Plasma ist, dann geht die Wärme nicht verloren, sondern heizt noch mehr Plasma auf. Geht immernoch zu viel Wärme verloren, muss man einen noch größeren Reaktor bauen und so weiter.

      Das Problem ist nur, dass man dafür in den 50/60er Jahren (ohne Supraleiter) Reaktoren gebraucht hätte, die etwas kleiner als ein Fußballstadion gewesen wären. Seit dem hat man die Technik besser verstanden, kann das Plasma etwas effizienter einschließen, so dass es nicht mehr so viel Energie verliert. Dazu kommen noch die besseren Magnete.

      So langsam kommt die notwendige Größe in machbare Regionen, die keine monumentalen Vakuumkammern braucht und damit alles bezahlbar wird.

      Und sobald das so ist, wird man auch Fusionsreaktoren bauen.

  2. #3 DasKleineTeilchen
    11. August 2015

    ich würd mich schon freuen, wenn wendelstein 7X wie vorgesehen stabiles plasma generiert. was das für eine korinthenkackerei und krampf war, um die gelder dafür zu bekommen…eine vergleichsweise lächerliche summe für so ein wichtiges projekt, manchmal könnte ich echt nur noch kotzen.

  3. #4 John Sinclair
    11. August 2015

    In dem Zusammenhang finde ich auch interessant darauf hinzuweisen, was denn normale Elektromagnete für solche Felder brauchen.
    Zum Beispiel ein Bitter Elektromagnet, der in den Niederlanden steht, braucht für 37,5T eine Leistung von 20,7MW und einen Strom von 40kA.

    Daran sieht man schon, dass man unbedingt Supraleiter braucht, um den Eigenbedarf eines Fusionskraftwerks klein zu halten. (Außerdem spart man sich dann die Unmengen an Wasser zur Kühlung.)

  4. #5 dgbrt
    12. August 2015

    Der neue ITER Chef Dr. Bernard Bigot (seit März 2015) hat erst einmal verkündet, dass es wohl noch etwas länger und natürlich teurer als geplant werden wird. Das Projekt finde ich sehr wichtig, erinnert mich aber an BER (auch sehr wichtig). Wer streicht diese diese Milliarden ein, ist die Korruption beim Bau des Kosmodroms Wostotschny tatsächlich größer?

  5. #6 tobalt
    12. August 2015

    Das alte projekte von neuem schnelleren überholt werden ist ein prinzipielle problem. Es gibt immer den optimalen Kompromiss aus wie schnell das projekte realisiert werden kann und wann man damit beginnen kann. Iter wurde zu zetig begonnen. Das ist gut als wirtschaftsmotor. Aber jetzt muss man sich ernsthaft Gedanken machen mit Experten am Ingenieuren und Wissenschaftlern ob es nicht mehr Sinn macht, den iter noch jetzt auf das neue konzept umzusetzen. Der meiste Fortschritt wird dann zwar verworfen. Aber am Ende wäre das Produkt möglicherweise billiger und eher fertig

  6. #7 ulfi
    16. August 2015

    @dgbrt Wenn man etwas komplett neues baut, was an vielen stellen ganz knapp an der Schwelle des Machbaren ist und man DANN oben drauf noch ein komplett wirres planungskommitee setzt, das noch 1000 andere politische constraints erfuellen muss als “das ding muss laufen!”, dann passiert sowas.