Entwicklung von supraleitenden Bandstapeln für den Einsatz in berührungslosen schnelldrehenden magnetischen Lagern

• Antragsteller: Dr. Ruben Hühne
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515372155

Supraleitende Magnetlager (SML) auf der Basis von Hochtemperatursupraleitern (HTSL) sind wichtige Bestandteile rotierender energieeffizienter Anlagen wie Schwungradspeichern oder supraleitenden Motoren, kommen aber auch für reibungsfreie Lagertechnologien in Textilmaschinen oder Flüssiggaspumpen zum Einsatz. Bisher werden dafür teure HTSL-Massivblöcke verwendet, die aufgrund des zeitaufwendigen Herstellungsprozesses nur begrenzt verfügbar sind. Als Alternative werden sogenannte Bandstapel, die aus einzelnen HTSL-beschichteten Metallbändern hergestellt werden, diskutiert. Der Einsatz derartiger Bandstapel ermöglicht einen effizienteren Einsatz der Lager auf Grund einer kompakteren Gestaltung, einer höhere Designflexibilität, einer verbesserten Wärmeleitung und mechanischen Festigkeit sowie einer höheren Verfügbarkeit und damit geringeren Kosten des supraleitenden Materials. Gleichzeitig ergeben sich wichtige Fragestellungen, die eine detaillierte wissenschaftliche Untersuchung erfordern. Diese hängen insbesondere mit der Geometrie des Leiters zusammen, der aus einer zweidimensionalen supraleitenden Schicht auf einem wesentlich dickeren Substrat besteht. Daraus resultiert ein Bandstapel mit einer Anzahl supraleitender Schichten, die voneinander getrennt sind und deren Wechselspiel für die funktionalen Eigenschaften in Betracht gezogen werden muss. Der Schwerpunkt des Projektes liegt auf dem Einsatz dieser HTSL-Bandleiterstapel in rotierenden SML. Ein Hauptziel ist dabei die effiziente Herstellung dieser Stapel mit unterschiedlicher Anordnung der Einzelbänder, um die funktionalen Eigenschaften und das Wechselspiel mit typischen Magnetfeldkonfigurationen in SML zu untersuchen. Dies wird durch eine numerische Modellierung der Bandstapel ergänzt, mit Hilfe derer die Kraftwechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten und dem Supraleiter berechnet wird. Dies ermöglicht es, sowohl den geeignetsten Bandstapel für das SML auszuwählen als auch die Anforderungen für ein optimiertes Bandleitermaterial zu spezifizieren. Das zweite Hauptziel besteht darin, die Eigenschaften von HTSL-Bandstapeln in einer anwendungsnahen SML-Konfiguration im Vergleich zu Massivmaterial zu untersuchen. Dabei werden die Bandstapel in einem bestehenden Lager für Textilmaschinen eingebaut. Statische und dynamische Messungen zu Bestimmung der Lagereigenschaften ermöglichen es dabei, die Vorteile und Herausforderungen der Bandstapel im Vergleich zum Standardmassivmaterial zu bestimmen. Gleichzeitig werden die experimentellen Untersuchungen von numerischen Modellierungen des SML begleitet, die eine weitere Optimierung des Lagers ermöglicht. Zusammenfassend erwarten wir, dass das Projekt einen signifikanten Beitrag zur Anwendung von HTSL-Bandleitern in SML-Systemen liefert. Damit wird der Anwendungsbereich des supraleitenden Materials erweitert, gleichzeitig aber auch eine gezielte Optimierung des Bandleiters für diese Anwendungen angestoßen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen