Vollständig supraleitendes Lager aus nahtlosen supraleitenden Spulen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Tilo Espenhahn
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452135712

Supraleitende magnetische Lager sind durch einen kontaktlosen und damit verschleißfreien Betrieb gekennzeichnet, die ein entscheidender Vorteil gegenüber konventionellen mechanischen Lagern ist. Sie ermöglicht einen effizienteren und damit wirtschaftlicheren Betrieb, der für Anwendungen wie beispielsweise Schwungmassespeicher, supraleitende Windgeneratoren oder schnelldrehende Motoren genutzt werden kann. In der Regel kombinieren supraleitende magnetische Lager Permanentmagneten mit massive Supraleiterformkörper. Ein stabiler Schwebezustand wird durch die Fixierung eines inhomogenen Magnetfeldes im Supraleiter erreicht, der in der Regel mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird. Eine charakteristische Besonderheit dieser supraleitenden Lager ist, dass sie Kräfte in allen Raumrichtungen aufnehmen können. Damit ist dieses Lager sowohl in Axial- und Radialrichtung unter Zug- und Druckbelastung stabil. In der ersten Projektphase konnte erfolgreich ein vollständig supraleitendes Lager aus Bandleitermaterial realisiert werden. Dafür wurden allerdings supraleitende Spulen mit normalleitende Lötstellen verwendet, an denen Ohm‘sche Verluste auftreten, die durch eine zusätzliche Kühlung kompensiert werden müssen. Gleichzeitig müssen diese Spulen zur Aufrechterhaltung eines stabilen Magnetfeldes periodisch nachgeladen werden. Ziel des vorliegenden Fortsetzungsantrags ist es, dass vollständig supraleitende Lager der ersten Projektphase mit nahtlosen Spulen auszustatten und somit die verlustbehafteten gelöteten Spulen zu ersetzen. Die hierfür benötigen supraleitenden Spulen müssen mit einer speziellen Schnitt- und Wickeltechnik hergestellt werden, die schon in der ersten Projektphase an kleinen Spulen getestet wurde. Diese Technologie stellt aber besondere Anforderungen an die kommerziell verfügbaren Bandleiter und macht eine zusätzliche Beschichtung notwendig. Dazu soll die Atomlagenabscheidung zum Einsatz kommen, um die komplexen Geometrien der Spule zu beschichten und so einen langfristigen Einsatz der vollständig supraleitender Spulen zu ermöglichen. Das neue vollständig supraleitende Lager aus den nahtlosen beschichteten Spulen wird anschließend hinsichtlich seiner Lagereigenschaften untersucht. Dazu zählen unter anderem die statische und dynamische Messung der Lagersteifigkeit und -dämpfung. Der in der ersten Projektphase entwickelte Tieftemperaturkryostat ermöglicht es, diese Untersuchung bei Temperaturen bis 20 K durchzuführen. Abschließend werden das vollständig supraleitende Lager der ersten und zweiten Phase hinsichtlich der Lagereigenschaften, der erforderlichen Kühlleistung und der Betriebsdauer des Spulenladesystems verglichen. Die Ergebnisse ermöglichen eine Bewertung der Effizienzsteigerung durch den Einsatz von nahtlosen supraleitenden Spulen in supraleitenden Lagern. Zusätzlich soll ein kleiner Demonstrator realisiert werden, an dem das Prinzip des Lagers einer breiten Öffentlichkeit anschaulich vorgestellt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen