Staff at TEMF

Bei Supraleitern handelt es sich um Materialien, die unterhalb einer kritischen Temperatur ihren elektrischen Widerstand verlieren, wodurch es ihnen möglich ist sehr hohe Ströme verlustfrei zu führen. Dadurch lassen sich beispielsweise Beschleunigermagneten realisieren, die sehr starke Magnetfelder erzeugen. Die kritische Temperatur ist dabei sehr niedrig, sodass eine kryotechnische Kühlung der Supraleiter zu ihrem Betrieb erforderlich ist, z.B. mithilfe von flüssigem Helium. Dabei kann es lokal trotzdem zu Erhitzungen im Supraleiter kommen, die schlechtestenfalls durch den Leiter propagieren, ihn thermisch davonlaufen lassen und so zur Beschädigung bishin zur Zerstörung des Magneten führen können. Dieses Phänomen nennt man Quench.

Um das Quenchphänomen besser zu verstehen, Quenchs präziser vorherzusagen und so die Magneten effizienter schützen zu können, werden numerische Simulationen eingesetzt. Problematisch ist dabei allerdings, dass ein typischer Beschleunigermagnet sehr lang ist, während sein Durchmesser nur ein Bruchteil seiner Länge beträgt und viele geometrische Details aufweist. Die Komplexität erhöht sich weiterhin durch die notwendige Modellierung von nichtlinearen Materialeigenschaften und die Kopplung von magnetischem und thermischem Problem. Eine konventionalle 3D Finite-Elemente-Simulation wäre daher viel zu aufwendig und würde inakzeptabel viel Rechenzeit beanspruchen.

In meiner Arbeit gehe ich daher einem effizienteren Ansatz nach, in dem der transversale Querschnitt des Magneten mit einer 2D Finite-Elemente-Methode diskretisiert wird, während die longitudinale Richtung mit einer 1D Spektrale-Elemente-Methode aufgelöst wird. Dies resultiert in eine so genannte quasi-3D Diskretisierung des Rechengebiets mit viel kleineren Gleichungssystemen als im vollständigen 3D-Fall bei gleicher räumlicher Auflösung, was genauere Ergebnisse in kürzerer Rechenzeit ermöglicht.