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Warum das ‚kalte Mysterium‘ der supraleitenden Materialien für die zukünftige Motortechnologie von entscheidender Bedeutung ist?
Da die Energieeffizienz immer stärker in den Vordergrund rückt, erlangt die Anwendung supraleitender Materialien in der Motorentechnik immer mehr Aufmerksamkeit. Ein supraleitender Motor ist ein Motorsystem, das die Eigenschaften von Supraleitern nutzt, um einen Gleichstromwiderstand von nahezu null zu erreichen und dadurch die Effizienz deutlich zu verbessern. Das „Tieftemperatur-Geheimnis“ supraleitender Materialien begrenzt jedoch deren kritische Anwendungsmöglichkeiten bei großvolumigen Anwendungen. In diesem Artikel werden die Geschichte, der aktuelle Status und die zukünftigen Herausforderungen im Zusammenhang mit supraleitenden Motoren untersucht und erläutert, wie sich diese Herausforderungen auf die zukünftige Entwicklung der Motortechnologie auswirken werden.
Supraleiter erreichen bei einer bestimmten Sprungtemperatur den elektrischen Widerstand Null und können dadurch extrem hohe Magnetfelder erzeugen, die in herkömmlichen Motoren nicht erreicht werden können.
Geschichtsrückblick
Das Konzept supraleitender Motoren ist nicht neu. Tatsächlich entwickelte Michael Faraday bereits 1831 den ersten Gleichstrom-Homopolarmotor. Im Laufe der Zeit wurde zunehmend an der Anwendung von Supraleitern in Gleichstrom-Homopolarmotoren geforscht. Im Jahr 2005 erhielt das US-amerikanische Unternehmen General Atomics den Auftrag zur Entwicklung eines großen, langsam laufenden supraleitenden Homopolarmotors zum Einsatz als Schiffsantrieb.
Man geht davon aus, dass supraleitende Homopolargeneratoren das Potenzial haben, als gepulste Energiequellen für Laserwaffensysteme zu dienen, doch stehen solche Maschinen in der praktischen Anwendung noch vor Herausforderungen. Frühe Wechselstrom-Synchron-Supraleitermaschinen verwendeten Niedertemperatur-Supraleiter aus Metall und erforderten eine Kühlung mit flüssigem Helium, was ihre Anwendungsmöglichkeiten beschränkte. Doch mit der Entwicklung der Hochtemperatur-Supraleitungstechnologie erlangten Maschinen mit keramischen Supraleitern zunehmende Aufmerksamkeit auf dem Markt.
Der Aufstieg der Hochtemperatur-supraleitenden Motoren hat neue Hoffnung für die größten Generatoren und Schiffsantriebsmotoren gebracht.
Aktuelle Interessen
Derzeit konzentriert sich das Interesse an Wechselstrom-Synchronmotoren aus supraleitender Keramik auf große Maschinen wie Generatoren in Versorgungs- und Schiffskraftwerken sowie Motoren für den Schiffsantrieb. AMSC hat zusammen mit Northrop Grumman einen supraleitenden Schiffsantriebsmotor mit 36,5 MW entwickelt und vorgeführt. Diese Motoren gelten aufgrund ihres geringen Gewichts als leistungsstarke Technologie für Windkraftanlagen, da sie die Kosten der gesamten Stromerzeugungsanlagen effektiv senken können.
Die ersten kommerziellen Windturbinen dürften etwa im Jahr 2020 errichtet werden und damit den Weg für die künftige Entwicklung erneuerbarer Energien ebnen.
Die Leichtigkeit supraleitender Generatoren wird zu revolutionären Veränderungen in der Technologie zur Stromerzeugung durch Windkraft führen.
Vorteile und Nachteile Analyse
Vergleich mit herkömmlichen Leitermotoren
Supraleitende Motoren haben gegenüber herkömmlichen Motoren erhebliche Vorteile, bringen aber auch einige Herausforderungen und Einschränkungen mit sich. Zu den Vorteilen supraleitender Motoren gehören zunächst einmal:
- Reduzierte Widerstandsverluste im Rotorelektromagneten.
- Bei gleicher Leistungskapazität werden Größe und Gewicht der Maschine erheblich reduziert.
Diesen Vorteilen stehen jedoch auch einige Nachteile gegenüber, wie zum Beispiel:
- Kosten, Größe und Komplexität von Kühlsystemen.
- Wenn das supraleitende Material seinen supraleitenden Zustand verliert, funktioniert der Motor plötzlich nicht mehr.
- Instabilität der Rotordrehzahl.
- Für den eigentlichen Betrieb sind elektronische Steuerungssysteme erforderlich, die die Betriebskosten erhöhen können.
Vergleich zwischen Hochtemperatur-Supraleitern und Niedertemperatur-Supraleitern
Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) können Supraleitung bei den leichter verfügbaren Temperaturen von flüssigem Stickstoff erreichen, während die Verwendung von flüssigem Helium die Kosten erhöhen würde. Hochtemperatur-Supraleiter bestehen typischerweise aus keramischen Werkstoffen, sie sind jedoch zerbrechlicher und schwieriger zu handhaben als Supraleiter aus Metalllegierungen, wie etwa Niob-Titan-Legierungen. Darüber hinaus können keramische Supraleiter nicht durch Schrauben oder Schweißen verbunden werden, was die Produktionskosten erhöht. Unter Übergangsbedingungen werden keramische Supraleiter leichter durch oszillierende Magnetfelder angetrieben und verlieren ihre Supraleitung, was ebenfalls eines der Probleme ist, die in Zukunft gelöst werden müssen.
Der Schlüssel zur Weiterentwicklung der supraleitenden Motortechnologie liegt darin, wie man mit dem Problem umgeht, dass keramische Supraleiter bei vorübergehenden Änderungen ihre Supraleitfähigkeit verlieren.
Mit Blick auf die Zukunft wird die technologische Entwicklung durch supraleitende Materialien zweifellos tiefgreifende Auswirkungen auf die Motorentechnologie haben. Für Fachleute der Branche ist die Frage, wie die bestehenden Herausforderungen bewältigt und das Potenzial supraleitender Motoren voll ausgeschöpft werden können, zu einer dringenden Frage geworden. Können wir angesichts des technologischen Fortschritts wirklich damit rechnen, dass supraleitende Materialien in alltäglichen Anwendungen weit verbreitet sein werden?
