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Die überraschende Zukunft supraleitender Motoren: Wie werden sie unsere Energiewelt revolutionieren?
Da die weltweite Nachfrage nach erneuerbarer Energie weiter steigt, sind supraleitende Motoren mit ihrer herausragenden Effizienz und Leistung zum aufsteigenden Stern in der Energietechnologie geworden. Dieses Motorsystem basiert auf den widerstandsfreien Eigenschaften supraleitender Materialien und bietet dadurch deutliche Betriebsvorteile gegenüber herkömmlichen Motoren. In diesem Artikel werden die Entwicklungsgeschichte, aktuelle Trends und mögliche zukünftige Änderungen bei supraleitenden Motoren untersucht.
Grundprinzipien supraleitender Motoren
Ein supraleitender Motor ist ein elektrisches System, das auf einem oder mehreren supraleitenden Elementen basiert. Aufgrund der Nullwiderstandseigenschaften supraleitender Materialien in Bezug auf den Gleichstromwiderstand weisen supraleitende Motoren im Allgemeinen einen höheren Wirkungsgrad auf. Einer der wichtigsten Parameter ist ihre Fähigkeit, extrem hohe Magnetfelder zu erzeugen, was mit herkömmlichen Motoren nicht möglich ist. Diese Eigenschaft führt zu einer deutlichen Reduzierung der Motorgröße, was eine deutliche Verbesserung seiner Leistungsdichte bedeutet.
Geschichtsrückblick
1831 erfand Michael Faraday den Homopolarmotor, der den Beginn der Geschichte der Elektromotoren markierte. Im Jahr 2005 erhielt General Atomics den Auftrag, einen großen, langsam laufenden supraleitenden Homopolarmotor zum Einsatz als Schiffsantrieb zu entwickeln.
Supraleitende Homopolargeneratoren gelten als Impulsenergiequellen für Laserwaffensysteme. Allerdings stellten Homopolarmotoren der Vergangenheit für die meisten Anwendungen eine Herausforderung dar. In den letzten Jahren haben Wechselstrom-Synchronmotoren mit Supraleitung, die Hochtemperatur-Supraleiter verwenden, zunehmend die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich gezogen.
Aktueller Schwerpunkt
Derzeit konzentriert sich das Interesse an Wechselstrom-Synchronmaschinen aus supraleitender Keramik auf große Maschinen wie Generatoren für Versorgungs- und Schiffskraftwerke sowie Motoren für den Schiffsantrieb. American Superconductor und Northrop Grumman haben einen 36,5-Megawatt starken supraleitenden Schiffsantriebsmotor aus Keramik vorgeführt und damit das Potenzial supraleitender Motoren aufgezeigt.
„Durch die Einführung supraleitender Generatoren konnten Gewicht und Volumen von Generatoren im Vergleich zu direkt angetriebenen Synchrongeneratoren deutlich reduziert werden, was sich auf die Kosten der gesamten Windkraftanlage auswirken könnte.“
Vorteile und Nachteile von supraleitenden Motoren
Vergleich mit herkömmlichen Leitermotoren
Supraleitende Motoren haben gegenüber konventionellen Motoren grundsätzlich folgende Vorteile:
- Reduzierte Widerstandsverluste (nur Rotorelektromagnet).
- Größen- und Gewichtsreduzierung bei gleichbleibender Leistungskapazität ohne Berücksichtigung der Kühlausrüstung.
Sie stehen jedoch auch vor den folgenden Herausforderungen:
- Kosten, Größe und Komplexität von Kühlsystemen.
- Sobald ein Supraleiter seinen supraleitenden Zustand verlässt, wird die Funktion des Motors oder Generators plötzlich beeinträchtigt oder unterbrochen.
- Tendenz, dass die Rotordrehzahl instabil wird.
Hochtemperatur-Supraleiter und Niedertemperatur-Supraleiter
Hochtemperatur-Supraleiter sind bei den relativ leicht verfügbaren Temperaturen von flüssigem Stickstoff supraleitend, was kostengünstiger ist als das üblicherweise verwendete flüssige Helium. Allerdings sind keramische Supraleiter zerbrechlicher als herkömmliche Supraleiter aus Metalllegierungen, etwa Niob-Titan-Legierungen, und es können keine supraleitenden Verbindungen durch Bolzen oder Schweißen hergestellt werden, was die Produktionskosten erhöhen kann.
Dennoch können keramische Supraleiter durch pulsierende Magnetfelder leichter aus ihrem supraleitenden Zustand gebracht werden, was bei plötzlichen Last- oder Versorgungsschwankungen zu Problemen führen könnte.Werden wir angesichts der Weiterentwicklung der Technologie für supraleitende Motoren in naher Zukunft deren weitverbreitete Nutzung im täglichen Leben erleben?
