Endbericht - NachhaltigWirtschaften.at
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nur etwa 100 nm weit in das Material ein. Diese dünne Schicht trägt die Abschirm- und Leitungsströme, tiefere Schichten sind feld- und stromfrei. Supraleiter 2. Art haben zwei kritische Feldstärken, eine niedrigere für beginnendes Eindringen des Feldes, eine höhere für das Zusammenbrechen der Supraleitung. Ein wichtiger Anwendungsbereich von Supraleitern ist die Erzeugung starker, konstanter oder nur langsam variierender Magnetfelder. Der ohmsche Widerstand der Spulenwicklungen konventioneller Elektromagnete erzeugt große Wärmemengen und damit auch einen großen Energieverlust. Für diese Anwendung werden (im Gegensatz zu keramischen Hochtemperatursupraleitern) nur klassische, metallische Supraleiter verwendet und hier wiederum vor allem Legierungen von Niob, da diese höhere magnetische Feldstärken tolerieren. Die Herstellung starker, supraleitender Spulen erfordert die Fabrikation von kilometerlangen, nur wenige Mikrometer dünnen Leiterfäden. Die Sprungtemperatur von Niob ist von allen chemischen Elementen die höchste und liegt bei 9,25 K (-263,9 °C). Sie kann bereits durch Kühlung mit flüssigem Helium, dessen Siedepunkt bei 4,22 K (-268,93 °C) liegt, erreicht werden. Anwendung als Supraleiter findet Niob (vor allem als intermetallische Verbindung Nb 3 Sn oder der Legierung NbTi) zur Erzeugung hoher Magnetfelder in Kernspintomographen im medizinischen (MRT) oder im chemisch-pharmazeutischen Bereich (NMR) sowie in Teilchenbeschleunigern (z.B. LHC am CERN in Genf) oder Fusionsreaktoren. Darüber hinaus weist auch Nb 3 Ge eine hohe Sprungtemperatur (23,2 K) auf. Die Supraleitung ermöglicht es, die von einem hohen Strom durchflossenen Feldspulen in sich zu schließen, woraufhin der Strom im Prinzip unendlich lange verlustfrei in der Spule erhalten bleibt. Zum Laden der in sich geschlossenen Spule wird ein kurzes Teilstück der Spule über die Sprungtemperatur aufgeheizt, wodurch sich die Spule öffnet und über Zuleitungen geladen werden kann. Wenn die gewünschte Stromstärke erreicht ist, erfolgt das Abschalten des Heizers und damit das Schließen der Spule. Bei dauerhaftem Betrieb lassen sich die elektrischen Anschlüsse nach dem Laden mechanisch entfernen und der Behälter der Spule verschließen. Zur Erhaltung des Feldes ist dann nur ein regelmäßiges Nachfüllen der Kühlmedien Flüssighelium oder -stickstoff erforderlich. Nach Angaben von Dr. Wolfram Knabl, Leiter der Forschungsabteilung bei Plansee SE, setzte diese im Jahr 2011 10–20 Tonnen reines Niob im Rahmen von Forschungsprojekten um. Die verbrauchte Menge schwankt jedoch stark – je nachdem, ob gerade an Supraleitern geforscht wird. Außerdem verwendet Plansee ca. 70 % des außerhalb der Supraleiterforschung eingesetzten Niobs in Form von schmelzmetallurgisch hergestellten Ingots hoher Reinheit (> 99 %). Daraus werden Bleche gewalzt und finalisiert. Weitere rund 20 % des Nb- Bedarfs, jedoch mit normaler Reinheit, dienen ebenso zur Herstellung von Flachhalbzeugen. Die restlichen ca. 10 % Niob finden Gebrauch als Drähte mit 1 % Zirkonium für den Licht- 310
ereich oder für eine Mischung aus 3–10 % Nb-Pulver mit Mo-Pulver, aus welcher durch Pressen, Sintern und Umformung Halbzeuge entstehen, woraus letztendlich die in Tabelle 95 angeführten Nb-Ströme resultieren. Tabelle 95: Quantifizierte Flüsse der Niob-Verarbeitung bei der Firma Plansee im Prozess „Industrie und Gewerbe“ im System Niob in Österreich (2011) Niob bei Plansee Niob [t] Reines Niob Input-Fluss 15,42 ± 3,5 (Flach-)Halbzeuge und Drähte; Supraleiter Input-Fluss 15 ± 3,5 Münzkerne Output-Fluss 0,42 NMR-Geräte Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR = „nuclear magnetic resonance“) ist eine Methode zur Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und ihrer Wechselwirkungen mit den Nachbaratomen. Dies ermöglicht die Aufklärung der Struktur und der Dynamik von Molekülen sowie Konzentrationsbestimmungen. Die Methode beruht auf der magnetischen Kernresonanz, einer resonanten Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Moment von Atomkernen der Probe, die sich in einem starken statischen Magnetfeld befindet, mit einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld. Es sind nur solche Isotope der Spektroskopie zugänglich, die im Grundzustand einen von 0 verschiedenen Kernspin und damit ein magnetisches Moment besitzen, wie z.B. 1H, 13C, 15N, 17O usw. Zur Messung wird die Probe in ein homogenes magnetisches Feld gebracht, das sogenannte Hauptmagnetfeld. Zusätzlich umgibt diese eine Induktionsspule, welche ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld senkrecht zum Hauptmagnetfeld erzeugt. Dann variiert man die Stärke des Hauptmagnetfeldes bis Resonanz eintritt („continuous wave“, veraltet). Alternativ lässt sich die magnetische Feldstärke konstant halten und die Frequenz des eingestrahlten Wechselfeldes verändern („continuous field“, veraltet). Der Resonanzfall, in welchem die Probe Energie aus dem Wechselfeld aufnimmt, führt zu einer messbaren Veränderung der Stromstärke, welche zum Aufbau des Wechselfeldes benötigt wird. Moderne Messverfahren strahlen nicht mehr kontinuierliche Wechselfelder in die Probe ein, sondern Radiowellen-Pulse („pulsed fourier transform NMR“). Die Anzahl der in Österreich befindlichen NMR-Geräte wurde einerseits durch direkte Anfragen bei den jeweiligen Universitäten oder Firmen, andererseits nach Auskünften von Dr. Lothar Brecker, Assoziierter Professor am Institut für Organische Chemie der Universität Wien und Arbeitsgruppenleiter der AG-NMR der Gewerkschaft Österreichischer Chemiker (GÖCh), ermittelt. Laut diesem sind an den Universitäten folgende Geräte: 311
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ereich oder für eine Mischung aus 3–10 % Nb-Pulver mit Mo-Pulver, aus welcher durch<br />
Pressen, Sintern und Umformung Halbzeuge entstehen, woraus letztendlich die in Tabelle<br />
95 angeführten Nb-Ströme resultieren.<br />
Tabelle 95: Quantifizierte Flüsse der Niob-Verarbeitung bei der Firma Plansee im Prozess „Industrie<br />
und Gewerbe“ im System Niob in Österreich (2011)<br />
Niob bei Plansee<br />
Niob [t]<br />
Reines Niob Input-Fluss 15,42 ± 3,5<br />
(Flach-)Halbzeuge und Drähte;<br />
Supraleiter<br />
Input-Fluss 15 ± 3,5<br />
Münzkerne Output-Fluss 0,42<br />
NMR-Geräte<br />
Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR = „nuclear magnetic resonance“) ist eine Methode<br />
zur Untersuchung der elektronischen Umgebung einzelner Atome und ihrer Wechselwirkungen<br />
mit den Nachbar<strong>at</strong>omen. Dies ermöglicht die Aufklärung der Struktur und der<br />
Dynamik von Molekülen sowie Konzentr<strong>at</strong>ionsbestimmungen. Die Methode beruht auf der<br />
magnetischen Kernresonanz, einer resonanten Wechselwirkung zwischen dem magnetischen<br />
Moment von Atomkernen der Probe, die sich in einem starken st<strong>at</strong>ischen Magnetfeld<br />
befindet, mit einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld. Es sind nur solche Isotope<br />
der Spektroskopie zugänglich, die im Grundzustand einen von 0 verschiedenen Kernspin<br />
und damit ein magnetisches Moment besitzen, wie z.B. 1H, 13C, 15N, 17O usw.<br />
Zur Messung wird die Probe in ein homogenes magnetisches Feld gebracht, das sogenannte<br />
Hauptmagnetfeld. Zusätzlich umgibt diese eine Induktionsspule, welche ein hochfrequentes<br />
elektromagnetisches Wechselfeld senkrecht zum Hauptmagnetfeld erzeugt. Dann variiert<br />
man die Stärke des Hauptmagnetfeldes bis Resonanz eintritt („continuous wave“, veraltet).<br />
Altern<strong>at</strong>iv lässt sich die magnetische Feldstärke konstant halten und die Frequenz des<br />
eingestrahlten Wechselfeldes verändern („continuous field“, veraltet). Der Resonanzfall, in<br />
welchem die Probe Energie aus dem Wechselfeld aufnimmt, führt zu einer messbaren<br />
Veränderung der Stromstärke, welche zum Aufbau des Wechselfeldes benötigt wird.<br />
Moderne Messverfahren strahlen nicht mehr kontinuierliche Wechselfelder in die Probe ein,<br />
sondern Radiowellen-Pulse („pulsed fourier transform NMR“).<br />
Die Anzahl der in Österreich befindlichen NMR-Geräte wurde einerseits durch direkte<br />
Anfragen bei den jeweiligen Universitäten oder Firmen, andererseits nach Auskünften von<br />
Dr. Lothar Brecker, Assoziierter Professor am Institut für Organische Chemie der Universität<br />
Wien und Arbeitsgruppenleiter der AG-NMR der Gewerkschaft Österreichischer Chemiker<br />
(GÖCh), ermittelt. Laut diesem sind an den Universitäten folgende Geräte:<br />
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