Supraleitung für Nachhaltigkeit: eine neue supraleitende Verbindung für die Höhe

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Ein flexibler Kryostat und die erste Serie hochtemperatursupraleitender Magnesiumdiboridkabel werden eine innovative elektrische Übertragungsleitung bilden, um die inneren Triplettmagnete des HL-LHC mit Strom zu versorgen

3. März 2023

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Von Chetna Krishna

Der Large Hadron Collider (LHC), der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, ist gleichzeitig auch die größte derzeit in Betrieb befindliche Einzelmaschine der Welt, die Supraleitung nutzt. Die Protonenstrahlen im Inneren des LHC werden mithilfe supraleitender Elektromagnete gebogen und um den Beschleunigerring fokussiert. Diese Elektromagnete bestehen aus Spulen aus Niob-Titan-Kabeln (Nb-Ti), die bei einer Temperatur arbeiten müssen, die kälter als die des Weltraums ist, um supraleitend zu sein. Dadurch kann der Strom ohne Widerstand und Energieverlust fließen. Der High-Luminosity LHC (HL-LHC), eine Weiterentwicklung des LHC, wird erstmals über innovative elektrische Übertragungsleitungen verfügen, die als „Supraconducting Links“ bekannt sind.

Kürzlich wurde in der Magnettestanlage SM18 des CERN die erste Serie supraleitender Magnesiumdiboridkabel erfolgreich in einen neuartigen, flexiblen Kryostat integriert. Zusammen mit Hochtemperatur-Supraleiterkabeln (HTS) aus Magnesiumdiborid (MgB2) bilden sie eine einzigartige supraleitende Übertragungsleitung zur Stromversorgung der inneren Triplettmagnete des HL-LHC. Bei den Triplets handelt es sich um Fokussierungsmagnete, die den Strahl unmittelbar vor Kollisionen auf einen Durchmesser von nur 5 Mikrometern fokussieren.

Der umgangssprachlich als „Python“ bekannte flexible, doppelwandige, gewellte Kryostat besteht aus 19 supraleitenden MgB2-Kabeln in einer einzigen Baugruppe, die zu einem kompakten Bündel zusammengedreht sind. Jedes MgB2-Kabel ist etwa 140 Meter lang, der Durchmesser des Bündels beträgt etwa 90 mm. Zusammen können diese 19 supraleitenden Kabel einen Gleichstrom von etwa 120 kA bei 25 K (-248 °C) übertragen – eine Temperatur, die höher ist als die, bei der herkömmliche Supraleiter arbeiten. Im LHC werden Niob-Titan- (Nb-Ti) und Niob-Zinn-Kabel (Nb3Sn) in superflüssigem Helium bei 1,9 K (-271,3 °C) betrieben – einer Temperatur, die kälter ist als die 2,7 K (-270,5 °C) der Außentemperatur Raum. Die MgB2-Kabel der Supraleitenden Verbindung werden durch einen erzwungenen Heliumgasstrom gekühlt. „Die in der Anfangsphase des LHC-Projekts geleistete Forschung und Entwicklung hat die laufende Produktion zuverlässig und wiederholbar gemacht“, sagt HL-LHC-Projektleiter Oliver Brüning.

Diese neuartige supraleitende Übertragungsleitung bietet auch außerhalb der Beschleunigertechnologie Potenzial. Diese Leitungen können große Strommengen innerhalb eines kleinen Durchmessers übertragen und könnten daher zur Stromversorgung von Großstädten oder zur Anbindung erneuerbarer Energiequellen an besiedelte Gebiete genutzt werden. Kürzlich haben CERN und Airbus UpNext eine Kooperationsvereinbarung unterzeichnet, um den Einsatz supraleitender Übertragung für zukünftige emissionsarme Flugzeuge zu bewerten.

Doch die Neuartigkeit dieses supraleitenden Materials ist nicht die einzige Geheimkomponente für eine nachhaltige, supraleitende Transferleitung.

„Eine der Schönheiten dieses neuen Systems besteht darin, dass der kryogene Betrieb der supraleitenden Verbindung zum Nulltarif erfolgt, da er das Heliumgas überträgt, das ohnehin zum Kühlen der Stromleitungen benötigt wird“, sagt Amalia Ballarino, die stellvertretende Leiterin von CERNs Gruppe „Magnete, Supraleiter und Kryostat“. „Die supraleitenden Verbindungen fungieren also sowohl als Helium- als auch als elektrische Übertragungsleitung.“

In der SM18-Anlage des CERN werden weiterhin die Montage und Tests der supraleitenden Verbindungen – insgesamt zehn für den HL-LHC – stattfinden, bis sie während des Long Shutdown 3, der 2026 beginnen soll, im LHC-Tunnel installiert werden. LHC Supraconducting Link wird in diesem Jahr in Betrieb gehen, wenn es auf der einen Seite mit den REBCO-HTS-Stromleitungen (Seltenerd-Bariumkupferoxid) und auf der anderen Seite mit den Nb-Ti-Verbindungen verbunden wird. Die Integration dieser wichtigen neuen Technologien (neuartige supraleitende Kabel aus MgB2, lange flexible Kryostate mit geringer statischer Wärmebelastung und REBCO HTS-Stromleitungen) markiert den Beginn eines nachhaltigen Ansatzes zur elektrischen Übertragung für die Zukunft der CERN-Beschleuniger, beginnend mit dem HL- LHC.