Superkabel

Zilverhoudende keramische linten vormen het hart van een supergeleidende hoogspanningskabel. Een dure primeur.

Nog voor het eind van het jaar moet het Frisbie-transformatorstation in Detroit een vijftien jaar oude belofte ingelost worden. Dan stelt energiebedrijf Detroit Edison de eerste commerciële supergeleidende hoogspanningskabels in werking. Die geleiden elektrische stroom vrijwel zonder weerstand, waardoor energieverliezen tijdens het transport uitzonderlijk klein worden en de capaciteit van de kabels juist groter. In het hart van de drie vuistdikke ondergrondse kabels van 120 meter is de keramische stof BSCCO verwerkt, lid van de klasse materialen die bij hun ontdekking in 1986, vijftien jaar geleden, een schok in de natuurkundige wereld teweeg brachten: de hoge temperatuur-supergeleiders.

Supergeleiders, stoffen die bij lage temperaturen hun elektrische weerstand totaal verliezen, waren al bekend sinds hun ontdekking in 1911 door de Leidse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes. Bij het afkoelen van kwik tot -269 graden Celsius, 4,2 graden boven het absolute nulpunt van -273,15 graden, zag hij de elektrische weerstand tot zijn verbazing helemaal wegvallen, wat hem een Nobelprijs opleverde.

De overgangstemperatuur zou nooit hoger kunnen worden dan enkele tientallen graden boven het absolute nulpunt, dacht men tot 1986. In dat jaar ontdekten onderzoekers van IBM een nieuwe klasse keramische koperoxiden het merkwaardige weerstandsverlies te vertonen al bij `hoge' temperaturen van boven de -196 graden Celsius, 77 graden boven het nulpunt. Dat is het kookpunt van vloeibaar stikstof, een goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar koelmiddel, waarmee praktische toepassingen plotseling in zicht kwamen.

Van de ene op de andere dag stortten natuurkundigen zich op de nieuwe ontdekking, die vanzelfsprekend ook bekroond werd met een Nobelprijs. Het leek slechts een kwestie van jaren voordat de eerste supergeleiders bij kamertemperatuur zich zouden aandienen, en even daarna toepassingen in transformatoren met extreem lage verliezen, weerstandsloze hoogspanningskabels en supercompacte elektromotoren. Supergeleidende magneten zouden zweeftreinen moeiteloos optillen.

De hooggespannen verwachtingen zijn tot nog toe niet ingelost. De overgangstemperatuur bleef na enkele jaren steken rond de -150 graden, en het mechanisme achter de nieuwe vorm van supergeleiding is ondanks forse theoretische inspanningen nog steeds niet definitief opgehelderd.

De exotische keramische materialen bleken bovendien moeilijk te verwerken tot handige stoomdraden. De kristallen laten zich moeilijk aan elkaar plakken, en gaven elektrische weerstand op de grensvlakken. Bovendien hebben sterke magneetvelden, niet te vermijden bij krachtige elektrische stromen, de neiging om de supergeleiding de supergeleiding te verstoren, zodat veel materialen een beperkte capaciteit hadden.

Mondjesmaat

Pas na vijftien jaar experimenteren, komen langzaamaan de eerste technische, niet-wetenschappelijke toepassingen mondjesmaat op de markt. Zoals de kabel in Detroit. ``Het Frisbie-station is een klein station in een dichtbevolkt gebied in de oude stad'', zegt Lorie Kessler van Detroit Edison, ``het graven van nieuwe buizen voor koperen kabels om de capaciteit uit te breiden zou grote en dure veranderingen met zich meebrengen.'' De capaciteit van koperen kabels wordt bepaald door de warmte-ontwikkeling van de elektrische weerstand, waar supergeleiders geen last van hebben.

Drie supergeleidende kabels van 110 kilogram vervangen negen koperen leidingen van ruim acht ton gewicht, die uit hun ondergrondse buizen zijn gehaald op het korte stukje tussen een transformatorstation en een distributiepunt van elektriciteitsleidingen. De kabels moeten de energie doorgeven voor de veertienduizend inwoners van de oude binnenstad.

``We zijn de kabel door de laatste stukken buizen aan het trekken, we maken de aansluitingen in orde, en beginnen langzaamaan met testen'', zegt hoofdingenieur Jon Jipping, ``we mikken nog op de herfst voor de inwerkingstelling, maar door de aanslagen is voor het eind van dit jaar waarschijnlijk realistischer.''

De kabels kunnen spanning van 24 duizend volt een stroom van 2400 ampère aan. Cruciaal zijn de bamie-achtige zilveren linten, gemaakt door het bedrijf American Superconductor door herhaaldelijk platwalsen en opnieuw stapelen van een platte zilveren buis met daarin het poedervormige BSCCO. Dat is een keramische materiaal waarin de elementen bismuth, strontium, calcium, koolstof en zuurstof verwerkt zijn. Na het walsen worden de linten verhit, waarbij de keramische korrels aan elkaar smelten.

De Italiaanse kabelproducent Pirelli heeft de linten om een holle buis gewonden, waarin het koelmiddel vloeibare stikstof kan stromen. Om het geheel is is warmte-isolatie aangebracht en daaromheen een plastic elektrische isolatie en een huls, waarmee de buis een dikte heeft van tien centimeter.

Het koelen van de stikstof vereist betrouwbare koelapparatuur, die ook energie gebruikt. Ook de wisselstroom heeft kleine verliezen in de kabel tot gevolg, in tegenstelling tot een gelijkstroom in een supergeleider. Kleine magnetische verstoringen in de supergeleider, de zogeheten vortices, bewegen in de veranderende stroom heen en weer, wat een beetje energie kost.

``We hebben een uitgebreid meetsysteem opgezet om de verliezen in de kabel bij te houden'', vertelt ingenieur Jipping. In totaal zouden de verliezen op een tweehonderdste moeten komen van die in koperen kabels, die over typische elektriciteitsnet-trajecten wel 10 procent van de verzonden energie kunnen verstoken.

Een nadeel van de supergeleidende kabels wel is hun prijs. De zilver bevattende linten van American Superconductor kosten 500 gulden per meter, ruim tien keer zo veel als koperen draden. Het project in Detroit, waarin ruim 13 miljoen gulden is gestoken, is deels gesponsord door het Amerikaanse ministerie van energie . Wanneer het een succes is, en als kabels en koeling goedkoper worden, komen veel grotere delen van het Amerikaanse elektriciteitsnet in aanmerking voor vervanging door supergeleidende kabels.

Kopenhagen

Het Amerikaanse project is niet het enige. In Kopenhagen levert een supergeleidende kabel inmiddels energie aan 150 duizend huishoudens, en ook in Tokio is een project in de testfase. Andere bijna marktrijpe toepassingen zijn de compactere en efficiëntere elektromotoren en transformatoren waaraan American Superconductor en Siemens werken. De laatste ontwikkelt ook een stroombegrenzer voor hoogspanningstechniek, die ophoudt met supergeleiden als een te grote stroom te krachtige magneetvelden opwekt. In sommige zendmasten voor mobiele telefoons vergroten schakelingen met supergeleidende onderdelen de gevoeligheid van ontvangst, wat meer beschikbare kanalen of een grote bereik oplevert.

In de wetenschappelijke wereld zijn de hoge-temperatuurgeleiders al veel langer gemeengoed, in elektronische elementen als de supersnelle Josephson-schakelaar, en in de supergevoelige magnetische detectoren. Ook krachtige magneten voor wetenschappelijke en medische doelen maken gebruik van supergeleidende spoelen, die grote magnetische velden op kunnen wekken zonder te veel warmte te ontwikkelen.

De verrassende ontdekking, begin dit jaar, dat de doodnormale stof magnesiumbromide supergeleidt bij 40 graden boven het absoluten nulpunt, heeft het supergeleidingsonderzoek een nieuwe impuls gegeven. De stof is veel beter te verwerken, er zijn al kabels van getrokken. Misschien kan de overgangstemperatuur nog hoger, of de benodigde helium- of waterstofkoeling efficiënter, is de hoop. Voorzichtige hoop, deze keer.