Supergeleidende lintkabel: de platte draad die fusie-energie dichterbij moet brengen
Een supergeleidende lintkabel is een dunne, platte band van een paar millimeter breed die elektrische stroom kan geleiden zonder enige weerstand. Waar een gewone koperdraad altijd een beetje energie verliest als warmte, zodra er stroom doorheen loopt, gebeurt dat bij deze band niet: als hij koud genoeg is, verdwijnt de elektrische weerstand volledig. Je kunt het vergelijken met het verschil tussen fietsen over een hobbelige zandweg en over ijs zonder wrijving: op het zand kost elke meter je energie, op het ijs glijd je door zonder verlies.
Het bijzondere zit ‘m niet alleen in het verschijnsel supergeleiding zelf, dat al sinds 1911 bekend is, maar in de vorm: een flexibele lint of tape in plaats van een ronde draad. Die vorm is nodig omdat het materiaal dat vandaag de beste eigenschappen combineert, een broos keramisch kristal is dat alleen in een dun, plat laagje goed werkt. Deze lintkabels worden nu ingezet in enkele van de meest ambitieuze technologieprojecten van dit moment, van compacte kernfusiereactoren tot stroomkabels die veel meer vermogen door dezelfde ondergrondse buis kunnen persen.
Wat is het precies?
Supergeleiding is een natuurkundig verschijnsel waarbij bepaalde materialen, onder een bepaalde temperatuur, hun elektrische weerstand volledig verliezen. Normaal metaal zoals koper geleidt stroom goed, maar niet perfect: elektronen botsen onderweg tegen atomen aan, wat weerstand en dus energieverlies als warmte oplevert. Onder de zogeheten kritische temperatuur van een supergeleider stopt dat botsen effectief, en kan stroom in principe eindeloos blijven vloeien zonder verlies.
Klassieke supergeleiders, zoals niobium-titanium, moeten daarvoor extreem koud zijn: rond de -269°C, gekoeld met vloeibaar helium. Dat is duur en technisch lastig. Sinds de late jaren tachtig kent men ook hogetemperatuursupergeleiders (HTS), materialen die al bij ‘slechts’ -196°C (de temperatuur van vloeibare stikstof) supergeleidend worden. Dat klinkt nog steeds bloedkoud, maar vloeibare stikstof is veel goedkoper en makkelijker te maken dan vloeibaar helium.
De belangrijkste HTS-familie die nu in lintvorm wordt geproduceerd, heet REBCO, een afkorting voor Rare Earth Barium Copper Oxide: een keramische verbinding van een zeldzame-aardmetaal (vaak yttrium), barium, koper en zuurstof. Dit materiaal geleidt stroom alleen goed als de kristallen keurig in dezelfde richting liggen, en dat lukt het best in een flinterdun laagje van enkele micrometers dik, aangebracht op een flexibele metalen draagband van bijvoorbeeld hastelloy. Fabrikanten brengen die laag aan met technieken als MOCVD of pulsed laser deposition, en beschermen het geheel met een dun laagje koper of zilver. Het eindresultaat is een lint van een paar millimeter breed dat je, net als een meetlint, om een spoel kan wikkelen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grote voordeel van supergeleiding is dat je enorme hoeveelheden stroom door een dun draadje kunt sturen zonder dat er energie verloren gaat, en zonder dat de draad smelt door oververhitting. Dat maakt het mogelijk om zeer sterke magneten te bouwen die veel compacter zijn dan met gewoon koperdraad, of om stroomkabels te maken die op een fractie van de dikte hetzelfde vermogen transporteren.
Die eigenschap is cruciaal voor kernfusie. Om waterstofkernen te dwingen tot fusie, moet je een gloeiend heet plasma (tientallen miljoenen graden) opsluiten met sterke magneetvelden, zonder dat er iets fysiek mee in aanraking komt. Natuurkundige schaalwetten laten zien dat een fusiereactor drastisch kleiner kan als je het magneetveld verhoogt: verdubbel het veld, en het benodigde reactorvolume kan tot wel een factor acht kleiner. Sterkere magneten met REBCO-lint betekenen dus potentieel goedkopere, sneller te bouwen fusiecentrales in plaats van de gigantische, decennialange projecten die nu gangbaar zijn.
Daarnaast lonkt de belofte van vrijwel verliesvrije elektriciteitsnetten, lichtere elektromotoren voor schepen en vliegtuigen, en compactere MRI-scanners. Het is nadrukkelijk nog geen kant-en-klare oplossing: de koeling, de kosten van het materiaal en de productie op grote schaal blijven serieuze hobbels.
Voorbeelden uit de praktijk
Commonwealth Fusion Systems (CFS), een spin-off van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), demonstreerde in 2021 een grootschalige REBCO-magneet die een magneetveld van 20 tesla haalde, destijds een record voor dit type magneet. Op basis daarvan bouwt CFS het SPARC-project in Devens, Massachusetts: een compacte tokamak die moet aantonen dat je met REBCO-magneten netto energiewinst uit fusie kunt halen. De bouw loopt al enkele jaren; zoals bij vrijwel elk fusieproject zijn de oorspronkelijke tijdpaden voor de eerste plasma-experimenten intussen opgeschoven, iets waar het bedrijf zelf ook open over is.
Tokamak Energy in het Verenigd Koninkrijk werkt eveneens met HTS-lintkabels in zijn ST40-testreactor en de opvolgers daarvan, met als doel compacte, sferische tokamaks die eerder commercieel haalbaar zijn dan traditionele grote ontwerpen.
Buiten de fusiewereld liep in Essen, Duitsland, van 2014 het AmpaCity-project: een circa één kilometer lange ondergrondse supergeleidende hoogspanningskabel die een deel van het middenspanningsnet van energiebedrijf RWE verving, met als doel te bewijzen dat zulke kabels in een echte stad betrouwbaar vermogen kunnen leveren met veel minder ruimtebeslag dan conventionele kabels.
Ook in de productiewereld zijn concrete stappen gezet: tapefabrikanten zoals het Japanse Fujikura en het Amerikaanse American Superconductor (AMSC) hebben hun productiecapaciteit voor REBCO-lint de afgelopen jaren flink uitgebreid om aan de groeiende vraag vanuit fusiebedrijven te kunnen voldoen.
Hoe ver is de techniek?
Het basisprincipe van REBCO-supergeleiding is decennia oud, maar het produceren van kilometers lang, betrouwbaar en betaalbaar lint is pas de laatste tien tot vijftien jaar echt op gang gekomen. De magneettest van CFS in 2021 gold als een belangrijk kantelpunt: die bewees dat je met dit materiaal op praktijkschaal, niet alleen in het laboratorium, hoge velden kunt bereiken.
Toch is de technologie nog niet volwassen. De productie van het lint blijft relatief duur per kilometer, onder meer omdat de kwaliteit van het kristallaagje nauwkeurig gecontroleerd moet worden. Een ander obstakel is de zogeheten ‘quench’: als een deel van de supergeleider onverwacht opwarmt boven de kritische temperatuur, verliest dat stukje plotseling zijn supergeleiding, wat lokaal enorme hitte kan veroorzaken. Het veilig detecteren en opvangen van zo’n quench in een grote magneet is een actief onderzoeksgebied.
Voor fusietoepassingen geldt bovendien dat een werkende magneet nog geen werkende energiecentrale is: er moet ook een volledig systeem komen dat het plasma stabiel houdt, warmte afvoert en tritium (een fusiebrandstof) kan kweken en verwerken. Realistische verwachtingen in de sector gaan uit van de jaren 2030 voor de eerste demonstraties van netto elektriciteitsopwekking uit fusie op basis van deze technologie, met de kanttekening dat dergelijke tijdlijnen in de fusiewereld traditioneel vaak worden bijgesteld.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is Commonwealth Fusion Systems (voortgekomen uit het Plasma Science and Fusion Center van MIT) een van de meest zichtbare spelers, mede dankzij grote private investeringen. Het Amerikaanse American Superconductor (AMSC) is een gevestigde producent van REBCO-lint.
In het Verenigd Koninkrijk richt Tokamak Energy zich op compacte sferische tokamaks met HTS-magneten, met steun van onder meer het Britse fusieonderzoekscentrum bij Culham.
In Japan zijn Fujikura en Furukawa Electric (via zijn dochter SuperPower) belangrijke tapefabrikanten. Het Duitse bedrijf THEVA en het Zuid-Koreaanse SuNAM spelen eveneens een rol in de wereldwijde productie van REBCO-band.
Ook China investeert fors in HTS-gebaseerde fusiebedrijven, en de Europese Unie ondersteunt onderzoek naar supergeleidende materialen en fusietechnologie via het EUROfusion-consortium. Het internationale ITER-project in Frankrijk gebruikt overigens nog de oudere, low-temperature supergeleiders (niobium-tin en niobium-titanium) en geen REBCO-lint; ITER laat daarmee zien welk pad de sector deels aan het inhalen is met de nieuwere hogetemperatuurtechnologie.