Forscher zähmen mit Siliciumcarbid große elektrische Ströme - Auch Diamant-Ersatz

Mineral mit vielen Talenten

Leistungsfähiges Elektronikbauteil: Mehmet Kazanbas, Mitarbeiter im Fachgebiet Elektrische Energieversorgungssysteme, zeigt die Platine eines dreiphasigen Wechselsrichters, bei dem Siliciumcarbid für Transistoren und Dioden verbaut wurde. Foto: Dilling

Kassel. Der Chemienobelpreisträger Henri Moissan hatte Ende des 19. Jahrhunderts die Idee, künstliche Diamanten aus der Verbindung von Silicium und Kohlenstoff zu schaffen. Doch es dauerte ein halbes Jahrhundert, bis das sogenannte Siliciumcarbid als Ersatz für Industriediamanten hergestellt wurde.

Ein kristallines Mineral, das fast genauso hart ist wie Diamanten und nun auch als preiswerte Alternative zu Brillanten von der Schmuckindustrie verarbeitet wird.

„Siliciumcarbid bricht das Licht nur anders als ein Diamant“, sagt Professor Peter Zacharias, Leiter des Fachgebiets Elektrische Energieversorgungssysteme am Institut für Elektrische Energietechnik der Universität Kassel.

Das gräuliche Mineral, das schon lange unter anderem als Komponente in Schleifpapier eingesetzt wird, hat viele Talente. Zacharias und sein Team setzen es seit Jahren erfolgreich als Baustein für ultraschnelle Schalter in der Leistungselektronik von Wechselrichtern ein.

Solche elektronischen Bauelemente sind nötig, um sehr hohe Spannungen und starke elektrische Ströme, wie sie beispielsweise Windkraftanlagen vor der Küste im Meer erzeugen, ohne größere Verluste an elektrischer Leistung zu regulieren. Die Wechselrichter beziehungsweise Stromumrichter an solchen Anlagen, die bei Stromstärken von bis zu 1000 Ampere und Spannungen von 35 Kilovolt Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, benötigen solche superschnellen Schalter.

Diese seien mit Siliciumcarbid drei- bis fünfmal schneller als solche, bei denen man reines Silicium als Halbleitermaterial einsetze, sagt Zacharias. Außerdem verhinderten sie, dass sich die Transformatoren überhitzen. „Wärme macht die Elektronik kaputt“, sagt der Wissenschaftler.

Weltrekord

Mit der Entwicklung solcher Leistungsschalter haben Zacharias und sein Team bereits große Erfolge erzielt. 2008 habe man im Rahmen eines Forschungsprojekts für den Solarspezialisten SMA sogar einen Weltrekord aufgestellt. Es sei gelungen, einen Wechselrichter mit 99 Prozent Wirkungsgrad herzustellen. In den 1990er-Jahren seien demgegenüber noch Leistungsverluste der Elektronik von acht bis zehn Prozent normal gewesen.

Flexible Windkraftanlagen

Momentan arbeiten die Kasseler Forscher mit daran, die Leistungselektronik der geplanten riesigen Windkraftanlagen im Wattenmeer zu verbessern. Es gehe darum, Transformatoren und Umrichter so zu bauen, dass sie in der Gondel hoch oben am Rotor der Anlagen Platz finden. „Das senkt die Kosten und macht die Anlagen flexibler“, sagt Zacharias. Denn wenn der Gleichstrom erst vom Generator zu einem Transformator auf dem Boden transportiert werden muss, sind viel dickere Kupferkabel nötig.

Von Peter Dilling

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