NRC Handelsblad van 20-10-2001, Pagina 49, Wetenschap & Onderwijs

Superkabel

Bruno van Wayenburg

BINNENSTAD DETROIT KRIJGT SUPERGELEIDE STROOM

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.

Onder Diverse consortia werken aan de ontwikkeling van

hoogspanningskabels met hoge-temperatuur supergeleidende vezels, zoals

hier bij hetonderzoekslaboratorium van Siemens in het Duitse Erlangen.

FOTO SIEMENS

Rechts De supergeleidende kabel van Pirelli FOTO AMERICAN SUPERCONDUCTOR