Die neuesten Technologien für Hilfsmaterialien für Unterseekabel

Abstrakt

Dieses Dokument untersucht den neuesten Stand der Technik im Bereich der Hilfsmaterialien für Seekabel. Es zeigt, wie sich diese Materialien weiterentwickeln, um die Leistung, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Seekabeln im anspruchsvollen Meeresumfeld zu verbessern. Durch die Untersuchung neuer Materialien, Fertigungstechniken und Funktionsverbesserungen können wir verstehen, wie sie zur Entwicklung effizienterer und langlebigerer Seekabelsysteme beitragen.

1. Einleitung

Unterseekabel bilden das Rückgrat globaler Kommunikations- und Stromübertragungsnetze und verbinden Kontinente über weite Ozeane. Hilfsmaterialien spielen eine entscheidende Rolle für den reibungslosen Betrieb dieser Kabel. Sie schützen die Kernkabelkomponenten vor den rauen Meeresbedingungen, darunter Hochdruckwasser, starke Strömungen, Temperaturschwankungen und korrosives Meerwasser. Darüber hinaus unterstützen sie die Installation, Wartung und Überwachung von Unterseekabeln. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und groß angelegter Offshore-Stromerzeugung ist die Entwicklung fortschrittlicher Hilfsmaterialien für Unterseekabel unerlässlich geworden.

2. Neue Materialien für Hilfskabel im Seekabelbau

2.1 Hochleistungsdämmstoffe

- Nanokomposit - Modifiziertes XLPE: Vernetztes Polyethylen (XLPE) ist seit langem eine beliebte Wahl für die Isolierung von Seekabeln. Aktuelle Forschungen konzentrieren sich auf die Verbesserung seiner Eigenschaften durch Nanokomposit-Technologie. So kann beispielsweise die Einarbeitung von Nanopartikeln wie Graphenoxid (GO) oder Montmorillonit-Nanoton in XLPE dessen Leistung deutlich verbessern. GO mit seinem hohen Aspektverhältnis und seinen hervorragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften bildet bei richtiger Verteilung ein leitfähiges Netzwerk innerhalb der XLPE-Matrix. Dadurch werden nicht nur die Halbleitereigenschaften für eine bessere elektrische Feldsteuerung verbessert, sondern auch die mechanische Festigkeit der Isolierung gesteigert. Eine Studie ergab, dass die Zugabe von 1 - 3 Gew.-% GO zu XLPE die Zugfestigkeit um 20 - 30 % erhöht und die elektrische Leitfähigkeit unter Hochspannungsbelastung verringert, wodurch die langfristige Zuverlässigkeit der Isolierung verbessert wird.

Innovative Polymermischungen: Polymermischungen erweisen sich als vielversprechende Isoliermaterialien für Seekabel. Durch die Mischung verschiedener Polymere lassen sich deren individuelle Vorteile kombinieren. So entsteht beispielsweise durch die Mischung von Polyimid (PI) mit Polyethylen (PE) ein Material mit der Hochtemperaturbeständigkeit von PI und der Flexibilität und Verarbeitbarkeit von PE. Dieses Verbundmaterial hält den extremen Temperaturschwankungen im Meer stand – von der kalten Tiefsee bis zum wärmeren Oberflächenwasser in Küstennähe. Es bietet zudem eine verbesserte chemische Beständigkeit gegen Meerwasser und andere korrosive Substanzen und eignet sich daher für den Langzeiteinsatz in Seekabeln.

2.2 Fortschrittliche Panzerungsmaterialien

Korrosionsbeständige Legierungen: Herkömmliche Stahlpanzerungen in Unterseekabeln neigen im Meer zur Korrosion. Um diesem Problem zu begegnen, werden neue Legierungsmaterialien entwickelt. Beispielsweise weisen nickelbasierte Superlegierungen mit hohem Chrom- und Molybdängehalt eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser auf. Diese Legierungen bilden auf ihrer Oberfläche einen passiven Film, der als Barriere gegen Chloridionen, die Hauptursache für Korrosion im Meer, wirkt. Neben der Korrosionsbeständigkeit weisen diese Legierungen auch eine hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit auf und bieten so einen besseren mechanischen Schutz für das Kabel. Sie halten den mechanischen Belastungen während der Installation, wie Biegen, Ziehen und dem Aufprall des Meeresbodens, stand.

Faserverstärkte Verbundpanzerung: Faserverstärkte Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) und glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) werden zunehmend als Alternativen für die Panzerung von Seekabeln verwendet. CFK bietet ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und gute Ermüdungsfestigkeit. Es kann das Gesamtgewicht des Kabels reduzieren und so die Installation, insbesondere in Tiefseegebieten, erleichtern. GFK hingegen ist kostengünstiger und bietet dennoch guten mechanischen Schutz und Korrosionsbeständigkeit. Diese Verbundwerkstoffe können durch Anpassung der Faserorientierung und der Harzmatrix individuell an die spezifischen Anforderungen verschiedener Seekabelanwendungen angepasst werden.

2.3 Überlegene wasser- und feuchtigkeitsbeständige Materialien

Superabsorbierende Polymer-Verbundwerkstoffe (SAP): Die Wasserabweisung ist eine wichtige Funktion von Hilfsmaterialien für Seekabel. Neue SAP-Verbundwerkstoffe wurden entwickelt, um diese Leistung zu verbessern. Diese Verbundwerkstoffe können Wasser schnell absorbieren und bilden eine gelartige Substanz, die ein weiteres Eindringen von Wasser in das Kabel verhindert. Beispielsweise kann ein SAP-Verbundwerkstoff auf Basis von Polyacrylat und einem verstärkenden Füllstoff Wasser bis zum Hundertfachen seines Eigengewichts aufnehmen. Der verstärkende Füllstoff, beispielsweise Silica-Nanopartikel, erhöht die mechanische Festigkeit des Gels und stellt sicher, dass es auch unter hohem Druck im Meer an Ort und Stelle bleibt. Dies schützt den Kabelkern wirksam vor wasserbedingten Schäden wie Isolationsabbau und Leiterkorrosion.

Hydrophobe und Barrierefolien: Hydrophobe Beschichtungen und Barrierefolien verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit. Nanostrukturierte hydrophobe Beschichtungen, beispielsweise auf Basis von Fluorpolymeren oder silikatischen Nanokompositen, erzeugen eine superhydrophobe Oberfläche auf dem Kabelmantel oder Zusatzkomponenten. Diese Beschichtungen haben einen Wasserkontaktwinkel von über 150°, wodurch Wassertropfen leicht abperlen und Wasser nicht anhaften und eindringen kann. Barrierefolien, beispielsweise mehrschichtige Polymerfolien mit hoher Gasbarriere, werden ebenfalls eingesetzt, um die Diffusion von Wasserdampf zu blockieren. Materialien wie Polyethylenterephthalat (PET) und Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) weisen eine geringe Wasserdampfdurchlässigkeit auf. Durch Laminieren dieser Folien entsteht eine hochwirksame, feuchtigkeitsbeständige Barriere.

3. Innovative Fertigungstechnologien

3.1 Präzisionsextrusions- und Beschichtungsverfahren

Hochpräzise Extrusion von Isolierschichten: Der Extrusionsprozess für Isoliermaterialien in der Seekabelproduktion wurde deutlich verbessert. Moderne Extrusionsmaschinen sind mit fortschrittlichen Steuerungssystemen ausgestattet. Beispielsweise können geschlossene Regelkreise mit Sensoren für Temperatur, Druck und Durchfluss den Extrusionsprozess präzise regeln. Dies gewährleistet, dass XLPE oder andere Isoliermaterialien gleichmäßig um den Kabelleiter extrudiert werden, was zu einer konstanten Isolierdicke führt. Der Einsatz moderner Extrusionsdüsen, die mithilfe von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) entwickelt wurden, kann den Fluss des geschmolzenen Isoliermaterials weiter optimieren und so das Auftreten von Defekten wie Hohlräumen und ungleichmäßiger Dicke reduzieren.

- Dünnschicht