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Supraleit-Pumpen für den Helium-Durst

Verkauft Kristallzüchtungs-Öfen und Supraleit-Technik aus Dresden weltweit: SciDre-Chef Robert Schöndube. Foto: Heiko Weckbrodt Foto: Heiko Weckbrodt

Verkauft Kristallzüchtungs-Öfen und künftig auch Supraleit-Technik aus Dresden weltweit: SciDre-Chef Robert Schöndube. Foto: Heiko Weckbrodt

Scidre Dresden baut Pumpen, deren supraleitende Lager keine Reibung kennen

Dresden, 15. Mai 2018. Reibung ist die Erz-Krux für den Maschinenbauer: So stark er oder sie auch das Auto motorisiert, die Turbine antreibt, die Batterien verstärkt: Immer fressen Reibung und Luftwiderstand viel wertvolle Energie auf, verplempert sie als Abwärme. Das Technologie-Unternehmen „Scidre“ arbeitet nun in Dresden an einer neuen Generation von Maschinen, in denen zumindest einige Teile keine Haftreibung mehr kennen: Dank des sogenannten Supraleit-Effektes schweben hier die rotierenden Achsen in den Lagern – gehalten von sehr starken Magnetfeldern, aber ohne Extra-Stromzufuhr. Als erstes Produkt hat das Unternehmen eine Pumpe für flüssiges Helium vorgestellt, das so kalt ist, dass klassische Kugellager hier sofort festfressen würden.

So kalt wie das All

Die Technologie dahinter ist anspruchsvoll, um nicht zu sagen: exotisch. Die Helium-Verflüssiger, in denen solche Pumpen gebraucht werden, arbeiten nahe am absoluten Temperatur-Nullpunkt, wie er sonst nur im Weltall herrscht, bei etwa minus 269 Grad Celsius. Sie verflüssigen das Edelgas, verbrauchen dabei viel Strom und speichern dann die tiefkalte Flüssigkeit in isolieren Behältern, die entfernt Thermoskannen ähneln. „Wenn man da was falsch macht, dann verdampft Ihnen das ganze mühsam verflüssigte Helium“, erklärt Scidre-Chef Robert Schöndube. Fast ein Drittel der zur Verflüssigung eingesetzten Energie könne so verloren gehen.

Die zentrale Helium-Verflüssigungs-Anlage der TU Dresden. Foto: Heiko Weckbrodt

Die zentrale Helium-Verflüssigungs-Anlage der TU Dresden. Foto: Heiko Weckbrodt

Wachsende Helium-Nachfrage durch Krankenhäuser und Institute

Und die Nachfrage nach flüssigem Helium wächst: Immer mehr Krankenhäuser weltweit rüsten sich mit Magnetresonanztomographen (MRT) aus. Und die funktionieren nur, wenn sie mit flüssigem Helium gekühlt werden. Auch zahlreiche Institute brauchen solch leistungsstarke Kühlung für den Vorstoß in neue Bereiche der Physik. Und auch die extrem starken Magneten in riesigen Teilchenbeschleunigern kommen ohne das verflüssigte Edelgas nicht aus.

Ein Abschnitt des LHC-Tunnels mit supraleitenden Magnetrohren, die bis zu 8 Tesla erreichen. Diese hohen Feldstärken sind nötig, um künftig zwei Protonenstrahlen bei knapp 300 000 Kilometer je Sekunde in eine Kreisbahn zu zwingen. Abb.: CERN

Ein Abschnitt des LHC-Tunnels unter dem Teiclhenforschungs-Zentrum CERN mit supraleitenden Magnetrohren, die bis zu 8 Tesla erreichen. Supraleit-Magneten brauchen starke Kühlung – durch flüssiges Helium oder Stickstoff zum Beispiel. Abb.: CERN

Letzter Entwicklungs-Anlauf war in den 1980ern

Trotz dieser wachsenden Nachfrage gibt es weltweit kaum neue Anbieter für Flüssighelium-Pumpen. Die letzte Entwicklung in Deutschland liegt über 30 Jahre zurück. „Das Walther-Meißner-Institut hat so eine Pumpe mal in den 1980er Jahren – ursprünglich nur für den Eigenbedarf – konstruiert“, erzählt Schöndube. Die Konstrukteure aus Garching bei München setzten damals starke Elektromagnete ein, um die Pumpen trotz der extremen Kälte am Laufen zu halten – mit dem entsprechend hohen Stromverbrauch.

Die Supratrans-Schwebebahn auf der Teststrecke in Dresden-Niedersedlitz. Foto: evico

Die Supratrans-Schwebebahn auf der – inzwischen demontierten – Teststrecke in Dresden-Niedersedlitz. Foto: evico

Nahe dran am Perpetuum mobile

Genau dieser Energieverbrauch kann aber wegfallen, wenn man Supraleit-Magneten statt klassischer Technik einsetzt, erkannten die Dresdner Ingenieure. Dabei kam ihnen zupass, dass ihr „Mutterinstitut“ auf genau diese Technologie spezialisiert ist: Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden entwickelt seit Jahren Materalien und Anlagen, die Strom widerstandslos leiten, wenn man sie auf eine tiefe „Sprungtemperatur“ herunterkühlt. Das macht Supermagnete möglich, die ohne Stromzufuhr Gegenstände dauerhaft und reibungslos in der Schwebe halten können, solange sie nicht zu warm werden. Fahrzeuge auf dieser Basis könnten auf Schienen – einmal angestoßen – immer weiter und weiter schweben, bis sie der Luftwiderstand abbremst. Näher heran an ein „Perpetuum mobile“, das sich ewig weiterbewegt, könnte man kaum kommen, so war die Idee der ersten Supraleit-Forscher. Aus den schwebenden Supraleit-Straßenbahnen in Dresden, von denen frühere IFW-Direktoren träumten, ist allerdings bis heute nichts geworden. Doch im kleineren, praktischeren Rahmen haben sie eben doch Möglichkeiten gefunden, ihre Supraleit-Technologien wirtschaftlich zu verwerten.

Hoverboard-Tester Ross McGouran mit dem schwebenden Suptraleit-Hoverboard. Foto: Lexus

Tester Ross McGouran mit einem schwebenden Hoverboard, das auf Supraleit-Technologie aus Dresden beruht. Foto: Lexus

Supraleit-Magneten frieren Kraftfeld ein

Zum Beispiel eben in Flüssighelium-Pumpen, die ohnehin so kalt sind, dass sie die Supraleit-Sprungtemperatur lässig unterschreiten. Anders als die Lager in den 80er-Jahre-Pumpen aus Garching brauchen die neuen Supraleit-Magnetkomponenten daher auch keine stetige Stromzufuhr mehr: Einmal heruntergekühlt, frieren sie zu einer Art superstarkem Dauermagnet ein. „Das spart Strom und Zeit“, betont Schöndube. „Der Energieverbrauch ist niedriger als bei den klassischen Anlagen, außerdem sind unsere Pumpen viel schneller betriebsbereit.“ Die ersten Prototypen seien fertig, die Serienproduktion soll 2019 beginnen. Danach wollen die Dresdner weitere Supraleit-Produkte entwickeln – zum Beispiel Mini-Pumpen für Helium-Kannen, mit denen MRT-Anlagen nachgefüllt werden.

Spezialisten für Hochdruck-Lichtöfen

Aus besonderer Ingenieurskunst, allerdings in ganz heißen statt ganz kalten Anlagen, war das Unternehmen ursprünglich auch geboren worden: 2009 gründete eine Handvoll IFW-Mitarbeiter das Unternehmen „Scidre“ (abgeleitet von „Science“ = Wissenschaft und „Dresden“), das sich auf Kristallzüchtungs-Öfen für besonders anspruchsvolle Kunden spezialisierte. „Kristallzüchtungs-Anlagen bieten weltweit zwar viele Firmen an“, räumt der Firmenchef ein. „Aber wenn jemand richtig hohe Gasdrücke über 150 oder gar 300 Bar braucht, kommt er um uns kaum herum.“

Scidre-Ingenieur Michael Schulze bereitet einen Kristallzüchtungsofen für einen Kunden in China vor und arretiert eine Testkammer, die für Druckprüfungen benötigt wird. Foto: Heiko Weckbrodt

Scidre-Ingenieur Michael Schulze bereitet einen Kristallzüchtungsofen für einen Kunden in China vor und arretiert eine Testkammer, die für Druckprüfungen benötigt wird. Foto: Heiko Weckbrodt

Chinesen auf dem Vormarsch

Das Geheimnis der Dresdner ist eine Druckkammer aus durchsichtigem Saphir, in der neuartige Materialien mit Xenon-Lampen oder neuerdings Lasern aufgeheizt werden, um daraus Kristalle zu züchten. Die genaue Verarbeitung ist das einzigartige Know-how der Sachsen. Daher haben sie auch Abnehmer in aller Welt. Vor allem Forschungsinstitute brauchen solche technologisch besonders anspruchsvollen Anlagen. „Unsere Kunden kommen aus den USA, aus Deutschland, seit zwei, drei Jahren aber vor allem auch aus China“, berichtet Schöndube. Gerade letzterer Punkt sollte alle Wirtschafts- und Forschungspolitiker aufwachen lassen, die immer noch glauben, das Reich der Mitte bleibe für ewig ein Reich der Plagiatoren: „Wir sehen in diesem Nachfrageschub ein Indiz dafür, wieviel die Chinesen derzeit in die eigene Grundlagenforschung investieren.“

Autor: Heiko Weckbrodt

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