Heißes Rennen um kalte Drähte

Erst ein Vierteljahr ist es her, daß landauf, landab der Champagner schäumte und aus Kaviardosen die teuersten Eier der Welt gelöffelt wurden. Aber schon sehnt sich Dr. Gero Papst, Geschäftsführer von American Superconductor Europe, heftig nach der nächsten Jahreswende. Doch der Manager im rheinischen Kaarst hat dabei nichts Feuchtfröhliches im Sinn. Er freut sich auf etwas anderes: „Am Jahresende 2000 wird das weltweit erste kommerzielle Starkstromkabel installiert sein, das mit Hochtemperatur-Supraleitung funktioniert. Anfang 2001 nimmt es den kommerziellen Betrieb auf. Das wird ein Meilenstein für uns!“ Wenn es nach Papst geht, darf das Medienecho dann gerne noch lauter nachhallen als alle Sylvesterkracher der Millenniums-Manie. Die Weltpremiere wird in der US-Autometropole Detroit stattfinden. Bislang bilden dort neun armdicke 120 Meter lange Kupferkabel – 24000 Volt, 2400 Ampere – die Hauptschlagader der Innenstadt-Stromversorgung. Doch die Detroiter Downtown dürstet nach mehr Saft. Zur Jahreswende 2001 werden lediglich drei neue Kabel an die Stelle der neun alten getreten sein – aber das Dreifache an elektrischer Energie transportieren. Und das im bereits existierenden alten Kabelschacht, ohne Erdarbeiten. Projektpartner in Detroit sind Pirelli Cables and Systems sowie der Stromversorger Detroit Edison. Die Hälfte der elf Millionen Mark Kosten trägt das US-Energieministerium. Der Clou an den neuen Starkstromkabeln: Mit flüssigem Stickstoff gekühlt, sinkt der elektrische Widerstand ihres Werkstoffs – ein Keramikmaterial aus Wismut, Strontium, Kalzium, Kupfer und Sauerstoff – fast auf Null. Deshalb beträgt der Stromverlust bei Vollast nur ein Viertel verglichen mit herkömmlichen Kupferkabeln – den zusätzlichen Kühlaufwand bereits mit eingerechnet. American Superconductor ist mit einer Tagesproduktion von 1000 Metern der größte Hersteller von HTS-Leitern. „Hochtemperatur“-Supraleitung (HTS) heißt das bei bestimmten Keramiken auftretende Phänomen, um es von der seit 1911 bekannten „Tieftemperatur“-Supraleitung in metallischen Leitern abzugrenzen: Bei denen muß man sich mit flüssigem Helium bis auf wenige Grade dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius nähern, damit der Effekt eintritt. Bei HTS-Keramik reichen bereits die minus 196 Grad Celsius von flüssigem Stickstoff. Gero Papst sagt klar, warum er so sehnlich auf die Detroiter Installation wartet: „Alle anderen Projekte, an denen im Zusammenhang mit HTS seit Jahren gearbeitet wird – supraleitende Motoren, Generatoren, Transformatoren und vieles mehr – sind momentan noch Forschungs- und Entwicklungsvorhaben.“ Die potentiellen Kunden seien extrem vorsichtig. Darum hält er es für notwendig, daß für jedermann sichtbar demonstriert wird: „ Supraleitung ist praxistauglich, und sie bringt etwas.“ Diese öffentliche Demonstration ließ auf sich warten. Als 1986 der Schweizer Karl Alex Müller und sein deutscher Mitarbeiter Georg Bednorz die HTS-Keramiken entdeckten, schien sich die Welt plötzlich in ein Schlaraffenland aus elektrischer Energie zu verwandeln: Strom in HTS-Drähten verlustfrei zu transportieren, und die bis zu hundertfach höheren Stromdichten für den Bau kleinerer und effizienterer elektrischer Maschinen und Anlagen zu nutzen – was für Aussichten! Doch der Euphorie folgte Ernüchterung. Heute um so mehr, wie Papst bezeugt: „Noch vor wenigen Jahren genügte es, potentielle Kunden beispielsweise für eine Entwicklungspartnerschaft an einem HTS-Motor zu interessieren, indem man ihnen sagte: ,Ein Motor mit HTS-Wicklungen wird deutlich leistungsfähiger.‘ Das reicht nicht mehr. Heute muß der supraleitende Motor nicht nur besser sein als der konventionelle, sondern obendrein noch billiger. Das Motto, vor allem in den USA, lautet: ,Price first!'“ Auch andere in der Supraleitungsbranche sehen noch erheblichen Entwicklungsbedarf. Dr. Heinz-Werner Neumüller, Leiter des Fachzentrums Supraleitung und Kryotechnik im Erlanger Forschungszentrum der Siemens AG: „ Egal, ob es um HTS-Wicklungen für Motoren, Generatoren oder Transformatoren geht, oder auch um Starkstromkabel – letzten Endes hängt alles am Draht. Und da ist für alle, die auf diesem Gebiet arbeiten“ – Unternehmen wie American Superconductor, Pirelli, Nordic Superconductor Technology, Siemens und Sumitomo – „noch viel zu tun.“ Neumüller zählt auf, wo die HTS-Drahtentwickler der Schuh drückt: „Die Stromtragfähigkeit ist noch nicht hoch genug. Sie liegt derzeit, über den gesamten Leiterquerschnitt gemessen, je nach Firma bei ungefähr 10000 Ampere pro Quadratzentimeter.“ Zum Vergleich: Kupfer bringt es gerade mal auf 100 Ampere pro Quadratzentimeter; dafür können diese Kabel allerdings sehr dick gemacht werden, HTS-Kabel nicht – vor allem wegen des Kühlungsproblems. „Um wirtschaftlich rentabel für die Energieversorgungsunternehmen zu sein, wünschen sich die Hersteller von HTS-Kabeln einen Wert von mindestens 25000 Ampere pro Quadratzentimeter“, so Neumüller. „Zusätzlich muß man von den Herstellkosten – heute rund 500 Mark pro Kiloampere und Meter Draht – mindestens auf ein Zehntel herunter.“ Gero Papst ist unerschütterlicher Optimist: „In Laborproben erreichen wir heute schon Stromtragfähigkeiten von 20000 Ampere pro Quadratzentimeter, in der laufenden Produktion 14000. Wir planen, das Leistungsniveau der Laborproben innerhalb von etwa zwei Jahren auf Produktionslängen zu übertragen.“ Ist es also doch in Sicht – das Schlaraffenland des verlustfrei fließenden Stroms? „Ich bin skeptisch“, sagt Dr. Beate Lehndorff, Wissenschaftlerin an der Gesamthochschule Wuppertal. Von Haus aus Diplom-Physikerin, arbeitet sie seit einem Jahrzehnt in der Supraleitungsforschung. Nicht nur an ihrer Hochschule, sondern auch in der Wuppertaler Firma Cryoelectra hat sie gründliche Erfahrungen in der HTS-Werkstoffentwicklung gesammelt. Lehndorffs Credo: „Die Supraleitung wird zunächst nur in Nischen Fuß fassen können – dort, wo es keine gute konventionelle Lösung gibt.“ Die Zeit der überhitzten Erwartungen an die kalte Wunderkeramik hat sie Ende der achtziger Jahre hautnah miterlebt. „Fast täglich kam unser Gruppenleiter ins Labor und hat hingerissen die jüngsten Resultate aus der HTS-Forschung berichtet. Nur: Die damaligen Supraleitungsforscher waren fast alle Metallurgen – die waren es gewohnt, aus Legierungen einfach Drähte zu ziehen. So konnten sie sich überhaupt nicht vorstellen, wie schwierig es sein würde, aus spröden Keramikblättchen einen Leiter herzustellen.“ Um so größer war Anfang der neunziger Jahre die Frustration, als es ans praktische Drahtmachen ging. Der Begriff „Draht“ vermittelt ein falsches Bild. Denn im Querschnitt erinnern die HTS-Leiter, die die Forscher mühsam in ihren Labors basteln lernten, eher an Schokoriegel mit Kekskern: Eine Silberhülle umschließt ein sprödes Herz aus HTS-Keramik. Silberrohre von unterschiedlichem Durchmesser – üblicherweise zwischen 18 und 30 Millimetern – werden mit dem Keramikpulver gefüllt, an beiden Enden verschlossen, gepreßt, gezogen und zu dünnen Bändern gewalzt. Ein Glühschritt bei 820 Grad Celsius schließt sich an. Der Zweck der aufwendigen, zwei bis vier Tage dauernden Prozedur: Die Keramikkristalle werden zu Blättchen von etwa 0,1 Millimeter Länge und 0,005 Millimeter Dicke plattgedrückt und zu einer gemeinsamen Vorzugsrichtung gezwungen. Nur: So richtig perfekt, und das auf mehreren 100 Metern Länge, kriegt das bislang noch keiner der Akteure hin. „Perfekt“ würde beispielsweise bedeuten: Vollkommen gleichmäßige Verteilung der HTS-Keramikblättchen über den ganzen Leiterquerschnitt, gleichmäßige Dicke der Blättchen, exakt gleiche Orientierung in Richtung des Stromflusses. Diese Hürden müssen noch genommen werden – dann ist die erforderliche technische Stromdichte erreicht. Trotz aller Sorgfalt der Drahtzieher machen ihnen grundsätzliche Probleme das Leben schwer. Beate Lehndorff: „Erstens treten bei der Durchleitung von Wechselstrom, der für die technische Anwendung meist interessanter ist als Gleichstrom, aus physikalischen Gründen immer Verluste auf. Und zweitens: Die HTS-Keramik ist sehr körnig – eines der größten Probleme ist daher die Störung durch Korngrenzen.“ So heißen die Grenzbereiche zwischen zwei benachbarten Keramik-Kristalliten. Der supraleitende Zustand muß dort gewissermaßen einen Spreizschritt von einem Kristallblättchen zum nächsten vollführen – etwa nach Art eines verirrten Arktisforschers, der im treibenden Packeis von einer Scholle zur nächsten springt. Dabei rutscht er gelegentlich aus und fällt ins Wasser. Etwas ähnliches passiert bei der Supraleitung, wenn sie sich ihren Weg durch den lückenhaften Stapel aus Keramik-Blättchen (Filamente) suchen muß: Auch da ist an den Korngrenzen gelegentlich Schluß, und die Supraleitung bricht ab. Heinz-Werner Neumüller sieht die Chance, mit den Wechselstromverlusten künftig besser fertigzuwerden: „Siemens arbeitet mit der Vakuumschmelze Hanau an einem verlustarmen „ Barrieren-Wechselstromdraht“. Da werden erstens die Keramik-Filamente verdrillt und zweitens mit einer dünnen Keramikhülle umgeben. Einen solchen Draht wird man beispielsweise für wirtschaftliche supraleitende Leistungs-Transformatoren brauchen.“ Auch Gero Papst ist voller Pläne für Innovationen. „ Wir arbeiten intensiv an der Entwicklung von beschichteten Leitern. Dabei wird ein keramisches HTS-Material auf einen Edelstahl- oder Nickelträger aufgebracht. Auf lange Sicht müssen wir für die Drahtfertigung weg vom Silber“, sagt er, „spätestens 2005 wollen wir das verwirklicht haben. Sonst ist unser Kostenziel von unter 100 Mark pro Kiloampere und Meter Draht nicht erreichbar. Aber dort müssen wir hinkommen, um die Hochtemperatur-Supraleitung breit vermarkten zu können – und nicht nur in Marktnischen.“ Was die Marktchancen angeht, zeichnet Beate Lehndorff ein sehr differenziertes Bild. Die 1999 in Deutschland eingeführte Liberalisierung des Strommarktes begrüßt sie zwar als Verbraucherin – indes: „Der Konkurrenzdruck unter den Energieversorgern ist riesig. Die wenigsten werden ausgerechnet jetzt das Geld und die Risikobereitschaft aufbringen wollen, HTS-Komponenten in ihre Netze einzuführen. Es ist gut möglich, daß die Hochtemperatur-Supraleitung in Europa in den nächsten Jahren Schwierigkeiten haben wird, sich zu etablieren – in der Energietechnik.“ Neumüller sieht hier nicht so schwarz. Er wertet es als positives Signal, daß viele führende Stromversorger weltweit in die Prüfung von HTS-Komponenten für ihre Netze eingestiegen sind: in Deutschland die RWE, die italienische ENEL, die französische EDF, das Unternehmen Southern California in den USA. Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit würden derzeit penibel in Pilotprojekten untersucht – in etwa zehn Jahren sei mit der breiten Vermarktung zu rechnen. Schon viel früher sieht Beate Lehndorff den breiten HTS-Einsatz kommen: „Die erste kommerzielle Anwendung der Hochtemperatur-Supraleitung steht unmittelbar bevor – keine elektrotechnische, sondern eine elektronische: supraleitende Bandfilter für die Mobilkommunikation.“ Bandfilter sind elektronische Schaltkreise, ohne die das Telefonieren per Handy vor lauter Störungen ein reines Ärgernis wäre. Ein solcher Filter läßt in einem scharf begrenzten Frequenzbereich allein das gewünschte Gesprächssignal passieren und leitet es an einen Verstärker weiter. Störende Signale werden ausgeblendet. Daß Mobiltelefonieren über Relaisstationen funktioniert, ist jedem Handynutzer geläufig. In diesen Stationen sind auch die Filter installiert. Nachteil bisher: Kindskopfgroße Hohlraum-Resonatoren aus Kupfer müssen herhalten, um die schwachen Mikrowellensignale eines Handys oder Autotelefons aus dem Störrauschen herauszufiltern. Die HTS-Filter hingegen erweisen sich nicht nur als weit leistungsstärker, sondern passen auch auf einen Chip. Bei HTS-Bandfiltern bereitet zudem das Korngrenzenproblem keine Bauchschmerzen – weil es keine Korngrenzen gibt: Das hier eingesetzte Material YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxid) wird nicht körnchenweise zu Leitern verbacken, sondern im Vakuum Atomlage für Atomlage hauchdünn aufgedampft. Dieses Epitaxie-Verfahren ist in der Chipherstellung gang und gäbe. Die HTS-Branche arbeitet unter anderem auch daran, auf diese Weise – Beschichten eines Trägers mit YBCO – HTS-Drähte herzustellen und dadurch die genannten Probleme der Drahtzieher loszuwerden. Aber das steckt noch in den Anfängen. Dr. Matthias Klauda, Fachreferent für Supraleitung der Bosch Telecom in Backnang, weiß die Vorteile der HTS-Bandfilter besonders zu schätzen. Denn er koordiniert im Produktbereich Raumfahrttechnik ein vom Bundesforschungsministerium unterstütztes Projekt, in dem Relaisstationen besonderer Art entwickelt werden: supraleitende – für Satelliten. „Jedes Kilogramm Startgewicht kostet bis zu 100000 Mark“, erläutert er. „Da ein Kommunikationssatellit Dutzende von Filtern trägt – ein Satellit bedient teils mehr als 60 Mobilfunk-Kanäle -, ist die Einsparung von Masse und Volumen durch HTS-Filter eine sehr attraktive Perspektive.“ Klauda leitet ein Projekt, in dem Bosch Telecom mit einer Arbeitsgruppe um Prof. Helmut Piel an der Gesamthochschule Wuppertal sowie mit der von Piel gegründeten Firma Cryoelectra kooperiert. Auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist mit dabei. Projektziel: Entwicklung von Satelliten-Baugruppen mit HTS-Bandfiltern. Der Prototyp einer solchen Anlage soll auf der Internationalen Raumstation, die ab 2003 geplant ist, seine Praxistauglichkeit nachweisen. „Der kritische Faktor bei HTS-Filtern ist die Kühltechnik“, sagt Klauda. Mit flüssigem Stickstoff läßt sich bei elektronischen Komponenten meist nur schwer arbeiten: Der Anwender eines elektronischen Geräts will sich weder mit den Wartungsproblemen eines Stickstoff-Kühlkreislaufs noch mit der Handhabung eines Kompressors herumschlagen. Statt dessen setzt man bei supraleitenden Elektronik-Komponenten miniaturisierte Kühlmaschinen ein (bild der wissenschaft 1/1996, „Der Rettungsanker“). „Die müssen sehr leistungsstark und zuverlässig sein und kosten derzeit 20000 bis 30000 Mark“, räumt Klauda ein. Doch dieses Handicap werde bereits ab etwa zehn Kanälen pro Satellit durch den Nutzen der HTS-Filter übertroffen: Neben Miniaturisierung und Gewichtsersparnis ist die Filterleistung extrem hoch. Denn das Verhältnis von Übertragungsverlust zu Signal bei Kupfer-Filtern gleicher Bauart – 95 Prozent zu 5 Prozent – kehrt sich bei supraleitenden Filtern genau um. In jeden Frequenzabschnitt – der immerhin für Millionen Mark gegen Konkurrenten ersteigert werden muß – passen 10 bis 20 Prozent mehr Übertragungskanäle als bei konventioneller Filtertechnik. Das heißt für den Mobilfunk: mehr Kunden, größeres Marktsegment. Und die Kunden haben mehr Grund zur Zufriedenheit: Funkt einem ein Störer auf derselben Frequenz ins Gespräch, kann die Relaisstation dank HTS-Technik sofort in ein anderes Band hüpfen – ohne merkbare Unterbrechung für den Telefonierenden. „ Vielleicht 100, eventuell einige 100″ – so schätzt Matthias Klauda den künftigen Bedarf an Kommunikations-Satelliten mit supraleitenden Komponenten an Bord ein. Jenseits von 2003 sei mit dem ersten kommerziellen Einsatz zu rechnen. Bis dahin wird allerdings am Boden bereits wesentlich mehr passiert sein. Denn schon 1998 wurden in den USA die ersten HTS-Filter in Mobilfunk-Bodenstationen installiert – zunächst nur im Rahmen von Feldversuchen. Firmen wie Conductus und Illinois Superconductor lieferten die supraleitenden Komponenten. Von bis zu 40 Prozent weniger Gesprächsabbrüchen berichtet Illinois Superconductor. 2000 könnte zum Jahr 1 der Kommerzialisierung für die Hochtemperatur-Supraleitung werden – in den USA zumindest: Mobilfunkanbieter wie Cellular One führen HTS-Filter in den Routinebetrieb ein, vorzugsweise in bergigem Gelände wie den Appalache Mountains in West-Virginia, wo der Mobilfunk besonders schwächelt. „Da ist der größte Bedarf, auch weil in den USA die Frequenzbänder der Mobilfunkanbieter einander zum Teil durchdringen – das bescherte den Handynutzern viele Störungen“, sagt Klauda. Doch auch außerhalb der USA ist die Markteinführung in Gang. Der japanische Telefon- und Elektronikkonzern NTT hat gerade den Bau von einigen 1000 Basisstationen mit HTS-Filtern in Auftrag gegeben. Für Europa rechnen Branchenkenner ab 2002 oder 2003 mit den ersten Installat

Thorwald Ewe