Elektromotory založené na vysokoteplotnej supravodivosti. Aplikácie vysokoteplotných supravodičov v energetike

Foundation for Advanced Research / Foto: novomoskov.ru

Nadácia pre pokročilý výskum a spoločnosť SuperOx usporiadali seminár venovaný vývoju nového elektromotora založeného na vysokoteplotných supravodičoch s vysokou hustotou výkonu.

Na podujatí sa zúčastnili odborníci a zástupcovia Federálnej štátnej rozpočtovej inštitúcie „Národné výskumné centrum „Kurchatov inštitút“, JSC „Výskumný ústav elektrofyzikálnych zariadení pomenovaný po. Efremov“, JSC „High-Tech Research Institute pomenovaný po. Bochvar", Rosatom State Corporation, Russian Superconductor JSC, Moskovský letecký inštitút, PJSC United Aircraft Corporation, United Shipbuilding Corporation JSC, Ministerstvo obrany Ruska, ako aj Vojensko-priemyselná komisia Ruskej federácie. V rámci seminára prebehla prezentácia technologickej linky na výrobu HTSC drôtov druhej generácie s demonštráciou najnovších ruských technológií na vytváranie vysokoteplotných supravodičov.

Vytvorenie demonštračného motora je plánované na rok 2018. Vďaka novej technológii bude motor zbavený tradičných nevýhod elektromotorických systémov a stane sa východiskom pre vytvorenie širokej škály pohonných zariadení fungujúcich na princípoch supravodivosti. Vytvorenie kompaktného elektromotora tohto typu bude ďalším krokom vo vývoji supravodičových technológií v Rusku.

Technologická linka na výrobu HTSC drôtov / Foto: fpi.gov.ru

Jedinečné vlastnosti supravodičov – nulový odpor a ultra vysoká prúdová hustota – z nich robia kľúčový prvok pre implementáciu prelomových elektrických riešení, ktoré otvárajú nové príležitosti pre elektroenergetiku, dopravné systémy, medicínu a vesmír. Motory s vysokou hustotou výkonu a účinnosťou sú žiadané v letectve a stavbe lodí.

Základom technológie sú HTSC drôty, ktoré podobne ako iné supravodivé materiály nemajú elektrický odpor. Použitie takéhoto drôtu umožňuje dosiahnuť veľmi vysokú prúdovú hustotu pri použití káblov s relatívne malým prierezom.

Nadácia pre pokročilý výskum v súčasnosti organizuje otvorenú súťaž o najlepší inovatívny vedecký a technický nápad alebo pokrokové konštrukčné a technologické riešenie pre vývoj pokročilých elektrických systémov a zariadení založených na princípoch vysokoteplotnej supravodivosti, uvádza Advanced Research Foundation .

referenčné informácie

Základ pre pokročilé štúdium- štátny fond, ktorého účelom je podporovať vedecký výskum a vývoj v záujme ruskej obrany a bezpečnosti štátu, spojený s vysokou mierou rizika dosiahnutia kvalitatívne nových výsledkov vo vojensko-technickej, technologickej a sociálno-ekonomickej oblasti, vrátane záujmy modernizácie ozbrojených síl Ruskej federácie, vývoja a tvorby inovatívnych technológií a výroby high-tech vojenských, špeciálnych a dvojakých produktov.

Foto: fbcdn-sphotos-d-a.akamaihd.ne

História stvorenia

História nadácie sa začala písať 22. septembra 2010, keď na Prezidentskej komisii pre modernizáciu a technologický rozvoj ruského hospodárstva dostalo ministerstvo obrany za úlohu predložiť návrhy na vytvorenie samostatnej štruktúry v oblasti objednávania a podpory prelomový, vysoko rizikový výskum a vývoj v záujme obrany a bezpečnosti štátu, modernizácia ozbrojených síl Ruskej federácie, ako aj tvorba technológií a produktov dvojakého použitia vrátane zohľadnenia zahraničných skúseností. V tom istom roku bolo z iniciatívy námestníka ministra obrany Dmitrija Chuškina vo Voentelecom OJSC vytvorené oddelenie na zhromažďovanie a skúmanie návrhov v záujme Ozbrojených síl Ruskej federácie - Výskumné centrum „Bureau of Defense Solutions“. ".

Iniciatívu na vytvorenie samostatnej organizácie opäť iniciovala vláda koncom roka 2011, keď bol do funkcie podpredsedu vlády vymenovaný Dmitrij Rogozin. Spracovanie dovtedy zozbieraných návrhov pre projekt Nadácie národnej bezpečnosti a rozvoja, ktorý inicioval, vyvrcholilo prípravou federálneho zákona „O nadácii pre pokrokový výskum“, ktorý bol predložený Štátnej dume (r. návrh zákona a sprievodné dokumenty, odôvodnenia a revízie federálneho zákona).

V skutočnosti nadácia začala svoju činnosť začiatkom roka 2013, keď bol schválený rozpočet, personál a hospodárenie nadácie. Smery výskumu nadácie boli schválené neskôr – 7. augusta 2013, kedy bolo na zasadnutí správnej rady schválených prvých 8 podporených projektov.

Štruktúra

Štruktúra fondu pozostáva z troch oblastí:

• Informačný výskum
• Fyzikálny a technický výskum
• Chemický, biologický a medicínsky výskum

Inštrukcie

Nadácia rozvíja vedecké a technické projekty v troch oblastiach (megaprojekty): „Vojak budúcnosti“, „Zbrane budúcnosti“, „Kybernetické zbrane budúcnosti“. Tieto projekty sú zamerané na hľadanie riešení obzvlášť významných vedeckých a technických problémov, ktoré o 20-30 rokov určia podobu ozbrojeného vedenia vojny a systémov dvojakého použitia. Obsahovo a plánovacím horizontom dopĺňajú aktivity Štátneho programu vyzbrojovania, ako aj federálnych cieľových programov v oblasti obranyschopnosti a bezpečnosti krajiny.

Od objavu supravodivosti v roku 1911 vedci postupne zvyšovali teplotu prechodu do supravodivého stavu na priemyselne prijateľné hodnoty. Teraz sa nezvyčajné materiály presúvajú z laboratórií do každodenného života. Ako sa vám páči napríklad vojnová loď so supravodivým motorom alebo mestská elektrická sieť napájaná supravodičmi?

Toto všetko vyzerá ako čistá fantázia, no pred našimi očami sa to stáva skutočnosťou. Ak vedci pozorovali prvé účinky supravodivosti pri teplotách mierne nad absolútnou nulou, teraz čísla vyzerajú oveľa atraktívnejšie. O svetovom rekorde pre vysokoteplotný supravodič si však povieme neskôr, ale teraz sa pozrime, čo nám v praxi sľubuje schopnosť niektorých materiálov viesť prúd s nulovým elektrickým odporom.

Tu sa nezaobídeme bez príbehu o úspechoch American Superconductor. Túto spoločnosť už čitatelia Membrane poznajú: nedávno spustila výrobu priemyselných supravodivých káblov pre energetické siete.

Japonský magnetický levitačný vlak MLX-01, jazdiaci spolu s bratom MLX-02 na dvojkoľajovej experimentálnej trati dlhej 18 kilometrov, dosahuje rýchlosť 581 kilometrov za hodinu. Táto linka sa neskôr stane súčasťou obchodnej linky Tokio-Osaka. MLX sa používa na vytvorenie efektu levitácie cievok vysokoteplotných supravodičov (foto Yosemite z de.wikipedia.org).

Podľa BBC News už v Columbuse v štáte Ohio fungujú krátke úseky káblov American Superconductor, ktoré sú schopné preniesť 150-násobok prúdu rovnakej veľkosti medeného vodiča. A čoskoro by mal ísť do prevádzky aj 800-metrový napájací kábel, taktiež od American Superconductor, ktorý sa bude podieľať na prenose záťaže v elektrickej sieti Long Island (New York).

Nové káble fungujú pri teplotách tekutého dusíka, vďaka čomu sú atraktívne pre rôzne priemyselné aplikácie. Koniec koncov, kryogénne systémy využívajúce tekutý dusík sú už dlho známe a rozšírené. Pre skutočnú revolúciu zostáva už len zaviesť chladenie pomerne rozsiahlych energetických sietí tekutým dusíkom, čo predstavuje určitý problém. Ale je to úplne riešiteľné.

Ukazuje sa však, že svoje miesto v technológii môžu obsadiť aj supravodiče pracujúce pri nižších teplotách.

Upozorňujeme, že nebudeme hovoriť o doslova jednorazových produktoch a exotických aplikáciách, ako sú obrovské urýchľovače častíc alebo tokamaky. Supravodiče sa dajú použiť napríklad na výrobu vinutí pre veľké elektromotory.

Supravodič novej generácie (strieborný) je oveľa tenší ako medený kábel (v strede) s rovnakým prenášaným výkonom. Vpravo: Takto American Superconductor ilustruje rozdiel medzi medenými káblami (pod diaľnicou) a supravodivým káblom (pod chodníkom), ktoré nesú rovnaký výkon (foto a ilustrácia od American Superconductor).

Ide o zaujímavú tému, na ktorej momentálne pracuje American Superconductor. Táto spoločnosť ešte v roku 2003 zostrojila a otestovala experimentálny 5-megawattový elektromotor s použitím vysokoteplotných supravodičov (tzv. HTS motor, synchrónny, striedavý prúd). Teraz však v spolupráci s Northrop Grumman zostrojila pre americké námorníctvo skutočný monster engine.

Motor 36,5 HTS má výkon na hriadeli 36,5 megawattov (49 tisíc koní), vyvinutý pri 120 otáčkach za minútu (zodpovedajúci monštruózny krútiaci moment si môžete vypočítať sami). Mimochodom, montáž tohto elektromotora je znázornená na fotografii pod názvom.

Vinutie rotora tu využíva supravodiče BSCCO a Bi-2223 (komplexný oxid na báze bizmutu), ktoré pracujú pri teplote 35-40 stupňov Kelvina. Sú chladené plynným héliom privádzaným cez dutý hriadeľ k rotoru stroja.

Vinutie statora tohto motora nie je supravodivé - je vyrobené z medi a má jednoduché kvapalinové chladenie. Odlišuje sa však aj od vinutia bežných elektromotorov. Napríklad vo vnútri nie je žiadne obvyklé železné jadro. Supervýkonné pole rotora už dokonale „nasýti“ stator, cez ktorý, mimochodom, prechádza veľmi malý zlomok celkového prúdu spotrebovaného týmto obrom.

Motor HTS bol špeciálne navrhnutý pre ďalšiu generáciu amerických vojnových lodí, pre ktoré je plánovaný plne elektrický pohonný systém.

Plánuje sa, že nová generácia amerických vojnových lodí bude vybavená supravodivými elektromotormi na pohon vrtule, ako je napríklad motor HTS (ilustrácia od American Superconductor).

Účinnosť HTS motora pri plnom výkone presahuje 97% a pri jednej tretine zaťaženia sa blíži k 99%.

Všimnite si, že bežné elektromotory niektorých typov môžu tiež vykazovať účinnosť okolo 95-97%. Aký je rozdiel? Faktom je, že nemajú takú vysokú účinnosť v celom rozsahu otáčok a zaťaženia a v mnohých jazdných režimoch „padajú“ na skromnejšie hodnoty účinnosti - približne 85-88%.

Supravodivý motor vykazuje takú slušnú účinnosť od 5% maximálnej rýchlosti až po svoju maximálnu rýchlosť (a teda rýchlosť lode).

Pri nízkom zaťažení teda HTS motor poháňajúci lodnú vrtuľu ušetrí lodi viac ako 10 % paliva spáleného v generátoroch plynových turbín alebo dieselových generátorov alebo 10 % elektrickej energie spotrebovanej z lodnej siete, ak má loď jadrovú energiu. elektráreň. Dodajme, že vyššie uvedená účinnosť HTS motora už zohľadňuje energetické náklady na prevádzku kryogénneho chladiaceho systému.

American Superconductor však považuje za hlavnú výhodu svojich lodných elektromotorov ani nie hospodárnosť, ale malú veľkosť a hmotnosť. Model s výkonom 36,5 megawattov váži 69 ton a je hrubý 3,4 metra, široký 4,6 metra a vysoký 4,1 metra. Tradičný „medený“ elektromotor s rovnakými výstupnými parametrami by mal hmotnosť okolo 200 – 300 ton a rozmery by boli približne dvojnásobné.

Pre stredne veľké plavidlo nie je tento rozdiel maličkosťou. Zmenšením veľkosti strojovne môžete prideliť extra objem pre náklad, cestujúcich alebo muníciu (ak hovoríme o vojnovej lodi). A úspora hmotnosti 130-230 ton sa dá využiť na niečo užitočné.

HTS motor je navyše oveľa tichší ako bežný elektromotor s rovnakým výkonom. 25-megawattová 60-tonová verzia motora HTS je teda podľa spoločnosti hlučná v plnej rýchlosti so silou len 48 decibelov – ostatné stolné počítače sú hlasnejšie.

Porovnanie bežného 36,5 megawattového elektromotora (vľavo) a motora typu HTS s rovnakým výkonom. Tvorcovia posledného tvrdia, že okrem mnohých iných výhod je supravodivý elektromotor takéhoto výkonu aj lacnejší ako klasický a má lepšiu udržiavateľnosť (ilustrácia od American Superconductor).

Skenery magnetickej rezonancie so supravodivými vinutiami, chladenými tekutým héliom, už dávno nikoho neprekvapia. Pracujú v mnohých veľkých nemocniciach.

Teraz sa na scénu dostali sériové supravodivé káble a drôty pre plyn hélium a rovnaký tekutý dusík. Našťastie sa americkým inžinierom podarilo vyriešiť problém krehkosti supravodivých materiálov. Nové vodiče sú sériou najtenších (nanometrových) vrstiev supravodičov umiestnených na tenkých (zlomky milimetra) kovových substrátoch. Takto vznikajú pramene, ktoré sa môžu ľahko ohýbať, podobne ako pri optických vláknach, hoci sú vyrobené zo skla.

HTSC motory od MAI (L.K. Kovalev)
Nové typy elektromotorov na báze objemových vysokoteplotných supravodičov

Séria hysteréznych HTSC motorov.

HTSC 100 W	Obyčajný 100 W	Obyčajný 12 W	HTSC motor 1 kW (50 Hz)	Kryopumpa s motorom HTSC
HTSC motor 0,5 kW (50 Hz)			HTSC motor 1 kW (50 Hz)	HTSC motor 4 kW (400 Hz)

Hlavné technické vlastnosti hysteréznych elektromotorov HTSC

možnosti	Motory s nízkym výkonom		Stredne výkonné motory
Výkon, W
Napájacie napätie, V
Aktuálna frekvencia, Hz
Rýchlosť otáčania, ot./min
Rozmery, mm
Špecifická hmotnosť, kg/kW

Oblasti možného uplatnenia hysteréznych HTSC motorov: pohon kryočerpadiel, pohon kompresorov, skvapalňovačov a chladničiek, pohon vysokorýchlostných centrifúg, textilný priemysel, letecká technika, nové kryogénne medicínske zariadenia.

Hysterézne motory HTSC. Princíp motora HTSC je založený na využití javu hysterézy v objemových vysokoteplotných supravodičoch. Prvky rotora motora HTS vyrobené z ytriovej keramiky (YBa 2 Cu 3 O x) môžu byť vyrobené vo forme dosiek, valcov alebo tyčí. Točivý moment motora je určený oblasťou hysteréznej slučky sypkých materiálov HTSC a nezávisí od rýchlosti rotora. Teoreticky a experimentálne sa ukázalo, že keď teploty kvapalného dusíka(77K) špecifické parametre hysterézie HTSC stroje sú 3-4 krát lepšie ako pre nesupravodivé hysterézne motory. Vytvorené hysterézne HTSC motory s výkonom 100-4000 W spoľahlivo fungujú pri 77K, čo je zatiaľ pre analógy založené na HTSC kompozitných drôtoch nedosiahnuteľné.

Séria prúdových motorov HTSC

HTSC motor 1 kW (50 Hz)	HTSC motor 3 kW (50 Hz)	komponenty motora HTSC 10 kW (50 Hz)
HTSC motor 2 kW (50 Hz)	HTSC motor 5 kW (50 Hz)	HTSC motor 10 kW (50 Hz)

Hlavné technické vlastnosti reaktívnych elektromotorov HTSC

možnosti	Stredne výkonné motory			Vysokovýkonné motory (projekt)
Výkon, W
Napájacie napätie, V
Aktuálna frekvencia, Hz
Rýchlosť otáčania, ot./min
Rozmery, mm
Špecifická hmotnosť, kg/kW

Oblasti možného uplatnenia prúdových motorov HTSC: pohon výkonných kryočerpadiel, vysokorýchlostná pozemná doprava, letecká technika, priemyselný pohon v kryoenergetike.

Výhody prúdových motorov HTSC. Je známe, že výkon a účinník prúdových motorov sú určené stupňom anizotropie magnetických vlastností rotora stroja. V nesupravodivých prúdových motoroch sa to dosahuje použitím magnetických aj nemagnetických materiálov v kompozitnom rotore. V prúdových motoroch HTSC sú nemagnetické materiály nahradené materiálmi HTSC. Rotory prúdových motorov HTSC pozostávajú zo striedajúcich sa HTSC (YBa 2 Cu 3 O x) dosiek a feromagnetických dosiek a majú extrémne vysoké anizotropné vlastnosti (feromagnetické vlastnosti v jednom smere a diamagnetické v kolmom). To umožňuje získať výrazne lepšie hmotnostné a rozmerové parametre strojov. Kryogénne prúdové motory HTSC pracujúce v prostredí kvapalného dusíka majú hmotnosť, veľkosť a energetické parametre 2-3x vyššie v porovnaní s tradičnými (nesupravodivými) prúdovými a asynchrónnymi motormi a v rozsahu výstupného výkonu 5-20 kW majú účinník cosj ~0,7- 0,8.

Prijatie verejnosťou. Práca na vytvorení nových typov motorov HTSC bola ocenená cenami Rady RAS za problémy HTSC v rokoch 1994 a 1995. a Diplomy Medzinárodnej konferencie o supravodivosti (Havaj, USA v rokoch 1995 a 1997), Zlatá medaila a Diplom 49. medzinárodnej výstavy inovácií, vynálezov a nových technológií v Bruseli v roku 2000.

Spolupráca a účinkujúci. Pre ďalší rozvoj prác na motoroch HTSC, najmä zvýšenie výkonu na 100-500 kW s podporou a priamou účasťou príslušného člena. RAS N.A. Chernoplekova vytvorila medzinárodnú spoluprácu, ktorá zahŕňa tieto organizácie: MAI- hlavný vývojár, VNIINM pomenovaný po Bochvarovi, VEI, ISTT RAS(Černogolovka), Institute of High Technologies in Physics (IPHT, (Jena, Nemecko), elektrotechnická spoločnosť "Oswald"(Miltenberg, Nemecko), Elektrotechnický ústav(Stuttgart, Nemecko), Univerzita v Drážďanoch(Nemecko), Oxfordská univerzita(Anglicko).

Prof., doktor technických vied Kovaľov Lev Kuzmich

Adresa: Moskva, A-80, GSP-3, 125993. Moskovský štátny letecký inštitút (Technická univerzita), Diaľnica Volokolamskoe, budova 4, oddelenie 310.

Foto: Sergey Shilovs / „Rare Earths“

Fenomén supravodivosti otvára jedinečné perspektívy v oblasti elektrotechniky, energetiky a dopravy. Už dnes sa stáva možným to, čo sa predtým považovalo za sci-fi: takmer bezstratový prenos energie na obrovské vzdialenosti, bezkontaktná vysokorýchlostná pozemná doprava, vytváranie ultravysokých magnetických polí.

Supravodivosť sľubuje, že prinesie revolučné zmeny v rôznych oblastiach, umožní medziplanetárne cestovanie vesmírom pomocou elektrických raketových motorov, otvorí nové cesty k vytvoreniu lietadiel s vertikálnym vzletom, pomôže vytvoriť zariadenia na efektívnu diagnostiku a liečbu zložitých chorôb a oveľa viac. Vlastnosť niektorých elektricky vodivých materiálov prejsť do stavu supravodivosti pri ultranízkych teplotách bola objavená už pomerne dávno, ale praktická aplikácia tohto efektu sa stala reálnou až po objavení vysokoteplotných supravodičov (HTSC) v roku 1986. , ktorý bol v roku 1987 ocenený Nobelovou cenou za fyziku. Druhá generácia drôtov na báze HTSC umožňuje ich prevádzku pri teplote 77 K (bod varu tekutého dusíka). O vývoji projektu praktického využitia HTSC materiálov a plánoch do budúcnosti hovoríme so zakladateľom SuperOx CJSC Andrej Vavilov a generálny riaditeľ Sergej Samoilenkov.

Vavilov Andrej Petrovič
Predseda predstavenstva SuperOx CJSC, doktor ekonómie

Andrej Vavilov: Pri spustení projektu v roku 2006 bolo hlavným cieľom vyvinúť technologický prístup a zaviesť výrobu vysokoteplotného supravodivého drôtu druhej generácie. Dnes je celý výrobný reťazec, všetko vybavenie umiestnené tu, v Moskve.
Na svete je len päť výrobcov takéhoto drôtu. Sme jediní výrobcovia HTSC drôtov v Európe a dodávame pásky takým ikonickým spotrebiteľom ako CERN, MIT, Siemens a University of Cambridge.
Okrem výroby HTSC drôtu neustále pracujeme na prelomových HTSC zariadeniach, ktoré nielen prispievajú k rozvoju priemyslu, ale vytvárajú aj trh pre spotrebu HTSC drôtu. Jedným z už dokončených vývojov sú supravodivé zariadenia obmedzujúce prúd (CLD). Toto zariadenie, ktoré je mimoriadne dôležité pre existujúce elektrické siete, výrazne zvyšuje spoľahlivosť energetického systému, znižuje náklady na rekonštrukciu rozvodní a zjednodušuje prevádzku energetických sietí. Princíp činnosti týchto zariadení je založený na schopnosti materiálu prejsť z vysoko vodivého stavu do stavu odporu, keď je vystavený prúdu nad prahovou hodnotou. V roku 2017 podpísala spoločnosť SuperOx dohodu o inštalácii prvého zariadenia obmedzujúceho prúd 220 kV HTSC na území rozvodne Mnevniki United Energy Company JSC v Moskve. Tieto práce podporil Fond priemyselného rozvoja. Ďalším smerom je vytvorenie supravodivého elektromotora pre rôzne aplikácie. Získali sme grant od Foundation for Advanced Research na vytvorenie elektromotora s výkonom 500 kW. Výsledkom tejto práce je, že elektromotory HTSC môžu byť prispôsobené pre širokú škálu aplikácií: letectvo, stavba lodí a raketová technika. Kľúčovou výhodou týchto motorov je, že pri rovnakej veľkosti a hmotnosti produkujú podstatne väčší výkon, mnohonásobne viac ako tradičné náprotivky. Ich účinnosť je pri rôznych výkonoch rovnako vysoká. To poskytuje obrovské možnosti na optimalizáciu efektivity prevádzky v špičkových podmienkach (napríklad pri vzlete lietadla), znižuje spotrebu paliva a zlepšuje parametre hmotnosti a veľkosti. Airbus a NASA, ktoré tiež pracujú týmto smerom, vypočítali, že sľubné elektrické lietadlo spotrebuje 4-krát menej paliva ako teraz. A tieto elektrické systémy sa nezaobídu bez supravodivosti.

RZ: Ako sa v tomto smere vyvíja činnosť firmy?

AB: Dizajn budúceho elektrického alebo hybridného lietadla bude využívať HTSC kábel, ktorého prvý prototyp práve vzniká v SuperOx. Vývoj elektrického lietadla zahŕňa použitie distribuovaného pohonného systému, na tento účel nie sú elektrické motory bez použitia supravodivosti dostatočne účinné. Zlepšenie parametrov hmotnosti a veľkosti a výkonu elektromotorov HTSC umožnilo začať vývoj lietadiel s vertikálnym vzletom, napríklad typu tiltrotor. Ďalším čoraz bežnejším názvom je „airtaxi“. Teraz s vytvorením takéhoto lietadla bojuje celé Silicon Valley a my už pracujeme na konkrétnej vzorke. Ďalším projektom je vytvorenie elektrického raketového motora (ERE) s použitím HTSC materiálov. Elektrický raketový motor sa od chemických motorov, ktoré využívajú spálené palivo a okysličovadlo, líši extrémne nízkou spotrebou pracovnej kvapaliny. Elektrické trysky s nízkym výkonom sa už dlho používajú v satelitoch na korekciu ich polohy alebo obežnej dráhy. Pomocou našich supravodičov chceme vyrobiť takéto motory o jeden alebo dva rády výkonnejšie. Ak sa teraz tieto motory budú dať použiť len na korekciu obežnej dráhy, s naším elektrickým pohonom HTSP bude možné vytvoriť vesmírny remorkér, ktorý dokáže presúvať náklad medzi obežnými dráhami, napríklad z referenčnej na geostacionárnu. Táto technológia umožní lety medzi Zemou a Mesiacom a ďalej až do hlbokého vesmíru. Preprava nákladu medzi obežnými dráhami je budúcnosť, o ktorej každý sníva, no zatiaľ sa k nej nikto nedokázal priblížiť. Nové materiály majú veľkú šancu zajtra premeniť sen na skutočnosť.

RZ: V akom štádiu je teraz vývoj elektrického raketového motora?

AB: Dokončili sme prvú fázu návrhu. V najbližších mesiacoch sa plánuje testovanie jednotlivých komponentov elektrického pohonného systému s následnou úpravou pre použitie vo vesmíre. Dúfame, že o 3-4 roky poletí do vesmíru prvé zariadenie s naším elektrickým raketovým motorom na báze HTSC magnetov.

Samoilenkov Sergej Vladimirovič
Generálny riaditeľ SuperOx CJSC, kandidát chemických vied

RZ: V akých ďalších oblastiach sa všeobecne používajú vysokoteplotné supravodiče a konkrétne produkty vašej spoločnosti?

Sergej Samoilenkov: Hoci HTS boli objavené pred 30 rokmi, ľahko použiteľné materiály vo forme drôtov sa na trhu objavili až pred desiatimi rokmi, v rovnakom čase ako naša spoločnosť vznikla. Využitie nájdu všade tam, kde sa prenášajú vysoké prúdy alebo vznikajú vysoké magnetické polia, kde sú obmedzenia hmotnosti alebo rozmerov zariadení, kde je potrebné znižovať straty a pod. V prvom rade HTSC drôty našli uplatnenie v elektroenergetike. Supravodivosť je jediný spôsob, ako vytvoriť urýchľovače a urýchľovače častíc. Všetky veľké urýchľovače, ktoré dnes existujú, sú vyrobené z nízkoteplotných supravodičov. HTSC materiály druhej generácie umožnia zvýšiť efektivitu existujúcich zariadení, zvýšiť magnetické pole a pripraviť pôdu pre nové objavy, objavy nových častíc a fyzikálnych javov. Preto sa o naše produkty zaujíma najmä CERN.

RZ: Povedzte nám, ako sa vám spolupracuje s CERN-om?

SS: Sme dodávateľmi supravodičov a unikátnych komponentov na báze HTSC, konkurujeme štyrom zahraničným spoločnostiam. V konkurenčnej súťaži vyhrávame nie vďaka nízkym cenám – naše ceny sú často vyššie ako u konkurencie, ale vďaka vysokej kvalite a úrovni prispôsobenia produktov. Do CERNu dodávame špeciálne káble vyrobené z početných, kompaktne skladaných plochých pásikov. Teraz sú z takého kábla vyrobené magnetické vložky, ktoré sa plánujú inštalovať do veľkého urýchľovača, aby sa tam zvýšilo magnetické pole. V budúcnosti to umožní zmenšiť veľkosť urýchľovačov. HTSC drôty sú jedinými materiálmi schopnými pracovať v ultravysokých poliach. Rekordne vysokoteplotné supravodivé magnety sa blížia k hranici 40 Tesla. Toto sú fantastické hodnoty pre magnetické pole, ktoré sa ľudstvu sprístupnili nie v pulznom, ale v konštantnom režime až teraz, za posledné dva roky.

Zariadenie na obmedzenie prúdu HTS
PLD zariadenie na získanie HTSC vrstvy pomocou pulzného laserového nanášania

RZ: Ako môžu byť vaše elektrické raketové motory použité vo vesmírnej technológii?

SS: Dôležité upozornenie: neznamená to prvý stupeň pre štart na obežnú dráhu, nie prekonanie gravitácie, všetko je tu stále štandardné. Hovoríme o motoroch, pomocou ktorých bude možné dať objektom výrazný impulz pre ich pohyb v priestore. Jeden z najdôležitejších problémov súčasnosti, ktorý ešte nebol vyriešený a ktorý pomôže vyriešiť náš motor: ako sa s použitím malého množstva paliva, teda kilogramov namiesto ton, môžete pohybovať vo vesmíre prijateľnou rýchlosťou. Napríklad Hubblov teleskop teraz vyžaduje opravu a údržbu. Ľudstvo malo jediný spôsob, ako sa k nemu dostať (a nachádza sa na obežnej dráhe asi 570 km) – raketoplán. Po ukončení tohto programu tam nemôže lietať nikto, ani Roskosmos, ani Čína, ani NASA, ani SpaceX, ani Japonsko. Toto je nemožné. Vytvárame motor, ktorý by mohol umožniť vytvorenie vlečného kozmického plavidla schopného zvládnuť takúto úlohu. Vyrábaný elektrický hnací motor je možné mnohokrát zapnúť a vypnúť, pracovať viac ako 10 rokov a má dostatočný výkon na pohyb ťažkých satelitov s hmotnosťou 5–6 ton.

AB: Ak vezmeme do úvahy myšlienku letov do hlbokého vesmíru, vďaka tejto technológii by sa to mohlo stať realitou. Všetky filmy, ktoré sledujeme, všetky sci-fi lode, ktoré sú tam vonku, všetky lietajú na tomto princípe a nikto nelieta na chemickom motore.

RZ: Mohli by ste nám povedať o niektorých špeciálnych aplikáciách supravodivých materiálov?

SS: Najpozoruhodnejšia vec je magnetická levitácia, vytvorená účinkom supravodivosti, keď supravodič môže levitovať a lietať nad magnetickým povrchom. V SuperOx máme dokonca platformu, ktorá unesie až dvesto kilogramov hmotnosti. V Japonsku sa už testuje levitačný vlak na magnetickej levitácii dosahujúci rýchlosť až 600 km/h. Vypúšťanie lietadiel a stíhačiek – je možné ich urýchliť pomocou elektromagnetického katapultu. Všetky elektrické a magnetické komponenty vojenskej techniky sa dajú mnohonásobne vylepšiť. Hmotnosť systému napájacích káblov na lodi sa môže znížiť 10-krát! Američania na tom teraz aktívne pracujú a vyrábajú špeciálne magnetické slučky z HTSC, ktoré obopínajú vojnovú loď vo všetkých smeroch, aby bola neviditeľná pre magnetické detekčné systémy a nezraniteľná pre magnetické míny. Loď je často demagnetizovaná na stacionárnych stojanoch, ale keď sa presunie na veľké vzdialenosti a napríklad prekročí rovník, stane sa opäť ľahko pozorovateľnou a zraniteľnou. Preto je dôležité vytvoriť aktívne demagnetizačné systémy integrované do lode, ktoré sú schopné prispôsobiť sa pohybu lode.

Jedna zo šiestich komôr IBAD - zariadenie na výrobu vyrovnávacích vrstiev pomocou technológie textúrovania v asistovanom iónovom lúči

RZ: Prečo sú potrebné ultravysoké magnetické polia?

SS: Po prvé, používajú sa vo výskumných a analytických prístrojoch na štúdium látok a na vykonávanie jemných chemických analýz, napríklad pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie. Po druhé, technológia urýchľovača, o ktorej sme hovorili vyššie. Aplikované sú aj úlohy, čiastočne obranného významu, napríklad hypersonické zbrane, rádiová komunikácia s návratovými kozmickými loďami, s riadenými strelami pohybujúcimi sa v plazmovom oblaku. Vo všetkých týchto prípadoch platí, že čím vyššie pole, tým lepšia kvalita vytvoreného riešenia a technických vlastností a často je tento vzťah nelineárny. Pre mierku: permanentné magnety dokážu vytvoriť pole až 1,5 Tesla, najvýkonnejšie magnety na báze nízkoteplotných supravodičov, ktoré sa používajú v urýchľovačoch, zrážačoch a tomografoch, majú pole okolo 20 Tesla a moderné HTSC technológie dokážu dosiahnuť pole do 40 Tesla, a to nie je limit.

RZ: Aké sú tvoje ambície do najbližších rokov?

AB: Chceme, aby pomocou technológií HTSC vesmírne remorkéry s elektrickým raketovým motorom otvorili novú stránku v prieskume vesmíru, lietadlá s vertikálnym vzletom sa stali novým typom dostupnej a pohodlnej leteckej dopravy po celom svete, a architektúra energetického komplexu sa stane jednoduchou, modernou a spoľahlivou. V tomto sa budeme snažiť obsadiť, ak nie hlavnú, tak jednu z centrálnych pozícií. Ten, kto kráča, zvládne cestu – vychádzame z toho. Spoločnosť SuperOx už prešla dlhú cestu od vývoja unikátneho produktu k jeho integrácii do nových prelomových projektov a plánujeme v tom pokračovať.

TEXT: „Vzácne zeminy“ FOTOGRAFIE: Sergey Shilovs

Odkaz
Spoločnosť SuperOx bola založená v roku 2006 Andrejom Vavilovom. Dnes je spoločnosť jediným výrobcom vysokoteplotného supravodivého drôtu (HTSC) druhej generácie v Rusku a Európe. Supravodiče sú jedinečné materiály, ktoré majú nulový elektrický odpor a sú schopné viesť prúdy pri extrémne vysokých hustotách. Zariadenia využívajúce oxidové HTSC materiály môžu zmeniť tvár elektroenergetiky a dopravy a otvárajú cestu k vytvoreniu efektívnejších zariadení pre vedecký výskum a špeciálne aplikácie. Intelektuálny kapitál spoločnosti je založený na viac ako 350 rokoch kombinovaných skúseností v oblasti technológií výroby tenkých povlakov z komplexných oxidov a štúdia vlastností nových supravodivých materiálov. Dnes sú produkty spoločnosti HTSC dodávané do 15 krajín sveta. V roku 2011 bola otvorená dcérska spoločnosť v Japonsku - SuperOx Japan LLC. Efektívna spolupráca oboch spoločností bola kľúčom k rýchlemu úspechu projektu.

Prečítajte si celú verziu materiálu o spoločnosti SuperOx v budúcom vydaní magazínu Rare Earths.

Jedným z hlavných smerov rozvoja vedy je teoretický a experimentálny výskum v oblasti supravodivých materiálov a jedným z hlavných smerov rozvoja techniky je vývoj supravodivých turbogenerátorov.

Supravodivé elektrické zariadenia dramaticky zvýšia elektrické a magnetické zaťaženie prvkov zariadenia a tým dramaticky znížia ich veľkosť. V supravodivom drôte je prípustná prúdová hustota, ktorá je 10...50-krát vyššia ako prúdová hustota v konvenčnom elektrickom zariadení. Magnetické polia možno zvýšiť na hodnoty rádovo 10 Tesla, v porovnaní s 0,8...1 Tesla v konvenčných strojoch. Ak vezmeme do úvahy, že rozmery elektrických zariadení sú nepriamo úmerné súčinu prípustnej prúdovej hustoty a indukcie magnetického poľa, potom je jasné, že použitie supravodičov mnohonásobne zníži veľkosť a hmotnosť elektrických zariadení!

Podľa jedného z konštruktérov chladiaceho systému nových typov kryogénnych turbogenerátorov, sovietskeho vedca I.F. Filippov, existuje dôvod považovať problém vytvorenia ekonomických generátorov kryoturbíny so supravodičmi za vyriešený. Predbežné výpočty a výskum nám umožňujú dúfať, že nielen veľkosť a hmotnosť, ale aj účinnosť nových strojov bude vyššia ako u najmodernejších generátorov tradičnej konštrukcie.

Tento názor zdieľajú vedúci práce na vytvorení nového supravodivého turbogenerátora série KTG-1000, akademik I.A. Glebov, doktor technických vied V.G. Novitsky a V.N. Šachtarin. V lete 1975 bol testovaný generátor KTG-1000, po ňom nasledoval modelový kryogénny turbogenerátor KT-2-2, ktorý vytvorilo združenie Elektrosila v spolupráci s vedcami z Fyzikálno-technického inštitútu nízkych teplôt Ukrajinskej akadémie vied. Výsledky testov umožnili začať s konštrukciou supravodivého agregátu podstatne väčšieho výkonu.

Uvedieme niekoľko údajov o 1200 kW supravodivom turbogenerátore vyvinutom vo VNIIelektromash. Supravodivé poľné vinutie je vyrobené z drôtu s priemerom 0,7 mm s 37 supravodivými nióbovo-titánovými jadrami v medenej matrici. Odstredivé a elektrodynamické sily vo vinutí sú vnímané nerezovým obväzom. Medzi vonkajším hrubostenným nerezovým plášťom a bandážou je medené elektrotermické sito, chladené prúdom studeného héliového plynu prechádzajúceho kanálom (potom sa vracia do skvapalňovača).

Ložiská pracujú pri izbovej teplote. Vinutie statora je vyrobené z medených vodičov (chladiaca kvapalina je voda) a je obklopené feromagnetickým štítom z vrstvenej ocele. Rotor sa otáča vo vákuovom priestore vnútri plášťa z izolačného materiálu. Zachovanie vákua v plášti zaručujú tesnenia.

Experimentálny generátor KTG-1000 bol svojho času rozmerovo najväčší kryoturbínový generátor na svete. Účelom jeho vytvorenia je vyvinúť návrh veľkých rotačných kryostatov, zariadení na privádzanie hélia do vinutia supravodivého rotora, štúdium tepelného okruhu, činnosť vinutia supravodivého rotora a jeho chladenie.

A vyhliadky sú jednoducho fascinujúce. Stroj s výkonom 1300 MW bude mať dĺžku asi 10 m a hmotnosť 280 ton, zatiaľ čo bežný stroj podobného výkonu má dĺžku 20 m a hmotnosť 700 ton! Napokon, konvenčný stroj s výkonom viac ako 2000 MW je ťažké vytvoriť, ale s použitím supravodičov možno skutočne dosiahnuť jednotkový výkon 20 000 MW!

Zisk v materiáloch teda predstavuje približne tri štvrtiny nákladov. Výrobné procesy sú zjednodušené. Pre každý strojársky závod je jednoduchšie a lacnejšie vyrobiť niekoľko veľkých elektrických strojov ako veľké množstvo malých: je potrebných menej pracovníkov, strojový park a ďalšie zariadenia nie sú tak zaťažené.

Na inštaláciu výkonného turbogenerátora je potrebná relatívne malá plocha elektrárne. To znamená, že náklady na výstavbu strojovne sa znížia a stanica sa môže rýchlejšie uviesť do prevádzky. A nakoniec, čím väčší je elektrický stroj, tým vyššia je jeho účinnosť.

Všetky tieto výhody však nevylučujú technické ťažkosti, ktoré vznikajú pri vytváraní veľkých energetických celkov. A čo je najdôležitejšie, ich silu možno zvýšiť len do určitých limitov. Výpočty ukazujú, že nebude možné prekročiť hornú hranicu limitovanú výkonom turbogenerátora 2500 MW, ktorého rotor sa otáča frekvenciou 3000 ot./min., keďže túto hranicu určujú predovšetkým pevnostné charakteristiky: napätia v mechanická konštrukcia stroja s vyšším výkonom vzrastie natoľko, že odstredivé sily nevyhnutne spôsobia deštrukciu rotora.

Pri preprave vzniká veľa starostí. Na prepravu toho istého turbogenerátora s výkonom 1200 MW bolo potrebné postaviť kĺbový dopravník s nosnosťou 500 ton a dĺžkou takmer 64 m. Každý z jeho dvoch podvozkov spočíval na 16 nápravách vozov.

Mnohé prekážky samy o sebe zmiznú, ak využijete efekt supravodivosti a použijete supravodivé materiály. Potom môžu byť straty vo vinutí rotora prakticky znížené na nulu, pretože jednosmerný prúd v ňom nenarazí na odpor. A ak áno, účinnosť stroja sa zvyšuje. Vysoký prúd pretekajúci supravodivým budiacim vinutím vytvára také silné magnetické pole, že už nie je potrebné používať oceľové magnetické jadro, tradičné pre akýkoľvek elektrický stroj. Odstránenie ocele zníži hmotnosť rotora a zotrvačnosť.

Vytvorenie kryogénnych elektrických strojov nie je poctou móde, ale nevyhnutnosťou, prirodzeným dôsledkom vedeckého a technologického pokroku. A existujú všetky dôvody domnievať sa, že do konca storočia budú v energetických systémoch fungovať supravodivé turbogenerátory s výkonom viac ako 1000 MW.

Prvý elektrický stroj so supravodičmi v Sovietskom zväze bol navrhnutý v Ústave elektromechaniky v Leningrade už v roku 1962...1963. Išlo o jednosmerný stroj s konvenčnou („teplou“) kotvou a supravodivým budiacim vinutím. Jeho výkon bol len niekoľko wattov.

Odvtedy tím ústavu (dnes VNIIelektromash) pracuje na vytvorení supravodivých turbogenerátorov pre energetický sektor. V priebehu minulých rokov bolo možné postaviť experimentálne stavby s výkonom 0,018 a 1 MW a následne 20 MW...

Aké sú vlastnosti tohto duchovného dieťaťa VNIIelektromash?

Supravodivé poľné vinutie je umiestnené v héliovom kúpeli. Kvapalné hélium vstupuje do rotujúceho rotora cez potrubie umiestnené v strede dutého hriadeľa. Odparený plyn sa vracia späť do kondenzačnej jednotky cez medzeru medzi týmto potrubím a vnútornou stenou šachty.

Konštrukcia héliového potrubia, ako aj samotného rotora, má vákuové dutiny, ktoré vytvárajú dobrú tepelnú izoláciu. Krútiaci moment z hlavného pohonu je dodávaný do vinutia poľa cez „tepelné mosty“ - štruktúru, ktorá je mechanicky dosť pevná, ale neprenáša teplo dobre.

Výsledkom je, že konštrukcia rotora je rotačný kryostat so supravodivým budiacim vinutím.

Stator supravodivého turbogenerátora má ako v tradičnej verzii trojfázové vinutie, v ktorom je elektromotorická sila vybudená magnetickým poľom rotora. Výskum ukázal, že je nevhodné použiť v statore supravodivé vinutie, pretože v supravodičoch dochádza pri striedavom prúde k značným stratám. Ale dizajn statora s „bežným“ vinutím má svoje vlastné charakteristiky.

Ukázalo sa, že v zásade je možné umiestniť vinutie do vzduchovej medzery medzi statorom a rotorom a upevniť ho novým spôsobom pomocou epoxidových živíc a konštrukčných prvkov zo sklenených vlákien. Táto konštrukcia umožnila umiestniť do statora viac medených vodičov.

Originálny je aj systém chladenia statora: teplo je odvádzané freónom, ktorý zároveň slúži ako izolant. Toto odmietnuté teplo je možné v budúcnosti využiť na praktické účely pomocou tepelného čerpadla.

V motore turbogenerátora s výkonom 20 MW bol použitý medený obdĺžnikový drôt s rozmermi 2,5 x 3,5 mm. Je do nej vylisovaných 3600 nióbovo-titánových žíl. Takýto drôt je schopný prechádzať prúdom až do 2200 A.

Testy nového generátora vypočítané údaje potvrdili. Ukázalo sa, že má polovičnú hmotnosť oproti tradičným strojom rovnakého výkonu a jeho účinnosť je o 1 % vyššia. Teraz tento generátor pracuje v systéme Lenenergo ako synchrónny kompenzátor a vyrába.

Hlavným výsledkom práce sú však obrovské skúsenosti nahromadené v procese vytvárania turbogenerátora. Leningradské elektrostrojárske združenie Elektrosila na jeho základe začalo vytvárať turbogenerátor s výkonom 300 MW, ktorý bude inštalovaný v jednej z rozostavaných elektrární u nás.

Supravodivé poľné vinutie rotora je vyrobené z nióbovo-titánového drôtu. Jeho dizajn je nezvyčajný - najtenšie nióbovo-titánové vodiče sú zalisované do medenej matrice. Toto bolo urobené, aby sa zabránilo prechodu vinutia zo supravodivého stavu do normálneho stavu v dôsledku vystavenia fluktuáciám magnetického toku alebo z iných dôvodov. Ak sa tak stane, medenou matricou pretečie prúd, teplo sa rozptýli a supravodivý stav sa obnoví.

Samotná výrobná technológia rotora si vyžadovala zavedenie zásadne nových technických riešení. Ak je rotor bežného stroja vyrobený z jedného výkovku z magneticky vodivej ocele, potom by v tomto prípade mal pozostávať z niekoľkých valcov vložených do seba, vyrobených z nemagnetickej ocele. Medzi stenami niektorých valcov je tekuté hélium, medzi stenami iných sa vytvára vákuum. Steny valca musia mať, prirodzene, vysokú mechanickú pevnosť a musia byť vákuovo tesné.

Hmotnosť nového turbogenerátora, rovnako ako hmotnosť jeho predchodcu, je takmer 2-krát menšia ako hmotnosť konvenčného turbogenerátora s rovnakým výkonom a účinnosť je zvýšená o ďalších 0,5...0,7 %. Turbogenerátor „žije“ približne 30 rokov a väčšinu času je v prevádzke, takže je celkom zrejmé, že takéto zdanlivo malé zvýšenie účinnosti bude veľmi výrazným ziskom.

Energetickí pracovníci potrebujú viac než len generátory chladu. Bolo vyrobených a otestovaných už niekoľko desiatok supravodivých transformátorov (prvý z nich zostrojil Američan McPhee v roku 1961; transformátor pracoval na úrovni 15 kW). Existujú projekty supravodivých transformátorov s výkonom do 1 milióna kW. Pri dostatočne vysokých výkonoch budú supravodivé transformátory o 40...50% ľahšie ako klasické, s približne rovnakými výkonovými stratami ako klasické transformátory (pri týchto výpočtoch sa bral do úvahy aj výkon skvapalňovača).

Supravodivé transformátory však majú aj značné nevýhody. Sú spojené s potrebou chrániť transformátor pred opustením supravodivého stavu počas preťaženia, skratu, prehriatia, keď magnetické pole, prúd alebo teplota môžu dosiahnuť kritické hodnoty.

Ak sa transformátor nezničí, jeho opätovné ochladenie a obnovenie supravodivosti potrvá niekoľko hodín. V niektorých prípadoch je takéto prerušenie napájania neprijateľné. Preto predtým, než sa začne hovoriť o hromadnej výrobe supravodivých transformátorov, je potrebné vypracovať ochranné opatrenia proti havarijným podmienkam a možnosť poskytnúť spotrebiteľom elektrickú energiu počas odstávky supravodivého transformátora. Dosiahnuté úspechy v tejto oblasti naznačujú, že v blízkej budúcnosti bude vyriešený problém ochrany supravodivých transformátorov, ktoré v elektrárňach zaujmú svoje miesto.

V posledných rokoch sa sen o supravodivých elektrických vedeniach čoraz viac približuje realite. Neustále sa zvyšujúci dopyt po elektrine robí prenos vysokého výkonu na veľké vzdialenosti veľmi atraktívnym. Sovietski vedci presvedčivo ukázali prísľub supravodivých prenosových vedení. Náklady na vedenia budú porovnateľné s nákladmi na konvenčné nadzemné prenosové vedenia (cena supravodiča, berúc do úvahy vysokú hodnotu jeho kritickej prúdovej hustoty v porovnaní s ekonomicky životaschopnou prúdovou hustotou v medených alebo hliníkových drôtoch, je nízka ) a nižšie ako náklady na káblové vedenia.

Supravodivé prenosové vedenia sa navrhuje realizovať nasledovne: medzi koncovými prenosovými bodmi je v zemi uložené potrubie s tekutým dusíkom. Vo vnútri tohto potrubia je potrubie s tekutým héliom. Hélium a dusík prúdia potrubím v dôsledku vytvárania tlakového rozdielu medzi zdrojovým a cieľovým bodom. Skvapalňovacie čerpacie stanice tak budú len na koncoch linky.

Ako dielektrikum možno použiť aj tekutý dusík. Héliové potrubie je vo vnútri dusíkového potrubia podopreté dielektrickými vzperami (väčšina izolantov má zlepšené dielektrické vlastnosti pri nízkych teplotách). Héliové potrubie je vákuovo izolované. Vnútorný povrch potrubia kvapalného hélia je pokrytý vrstvou supravodiča.

Straty v takomto vedení, berúc do úvahy nevyhnutné straty na koncoch vedenia, kde musí byť supravodič pripojený k prípojniciam za normálnych teplôt, nepresiahnu niekoľko zlomkov percent a v bežných elektrických vedeniach sú straty 5...10 krát väčšie!

Vďaka úsiliu vedcov z Energetického inštitútu pomenovaného po G.M. Krzhizhanovsky and All-Union Vedecký výskumný ústav káblového priemyslu už vytvoril sériu experimentálnych sekcií supravodivých AC a DC káblov. Takéto vedenia budú schopné prenášať výkon mnohých tisíc megawattov s účinnosťou vyššou ako 99 %, pri miernych nákladoch a relatívne nízkom (110...220 kV) napätí. Možno ešte dôležitejšie je, že supravodivé elektrické vedenia nebudú vyžadovať drahé zariadenia na kompenzáciu jalového výkonu. Bežné vedenia vyžadujú inštaláciu prúdových tlmiviek a výkonných kondenzátorov na vyrovnanie nadmerných strát napätia pozdĺž trasy, ale supravodivé vedenia sú schopné samy kompenzovať!

Supravodiče sa tiež ukázali ako nepostrádateľné v elektrických strojoch, ktorých princíp činnosti je mimoriadne jednoduchý, ale ktoré ešte nikdy neboli skonštruované, pretože na svoju činnosť vyžadujú veľmi silné magnety. Hovoríme o magnetohydrodynamických (MHD) strojoch, ktoré sa Faraday pokúsil implementovať už v roku 1831.

Myšlienka tejto skúsenosti je jednoduchá. Dve kovové platne boli ponorené do vody Temže na jej protiľahlých brehoch. Ak je rýchlosť rieky 0,2 m/s, potom pri prirovnaní prúdov vody k vodičom pohybujúcim sa v magnetickom poli Zeme zo západu na východ (jeho vertikálna zložka je približne rovná 5 10-5 T) vznikne napätie približne 10 μV/m je možné odobrať z elektród.

Bohužiaľ, tento experiment skončil neúspechom, „riečny generátor“ nefungoval. Faradayovi sa nepodarilo zmerať prúd v obvode. Ale o niekoľko rokov neskôr Lord Kelvin zopakoval Faradayov experiment a získal malý prúd. Zdalo by sa, že všetko zostalo rovnaké ako Faradayovo: tie isté platne, tá istá rieka, tie isté nástroje. Až na to, že miesto nie je úplne v poriadku. Kelvin postavil svoj generátor ďalej po Temži, kde sa jej vody miešajú so slanou vodou z prielivu.

Tu je riešenie! Voda po prúde bola slanšia, a teda aj vodivejšia! To bolo okamžite zaznamenané prístrojmi. Zvýšenie vodivosti „pracovnej tekutiny“ je všeobecný spôsob, ako zvýšiť výkon generátorov MHD. Ale môžete zvýšiť výkon iným spôsobom - zvýšením magnetického poľa. Výkon generátora MHD je priamo úmerný druhej mocnine sily magnetického poľa.

Sny o MHD generátoroch dostali reálny základ okolo polovice nášho storočia spolu s príchodom prvých sérií supravodivých priemyselných materiálov (niób-titán, niób-zirkónium), z ktorých bolo možné vyrobiť prvé, ešte malé, ale fungujúce modely generátorov, motorov, vodičov, solenoidov . A v roku 1962 na sympóziu v Newcastli Angličania Wilson a Robert navrhli projekt 20 MW MHD generátora s poľom 4 Tesla. Ak je vinutie vyrobené z medeného drôtu, potom za cenu 0,6 mm / USD. Straty joulov v ňom „zožerú“ užitočný výkon (15 MW!). Ale so supravodičmi sa vinutie kompaktne zmestí do pracovnej komory, nebudú v nej žiadne straty a na chladenie bude potrebných iba 100 kW výkonu. Účinnosť sa zvýši z 25 na 99,5 %! Je tu toho veľa na premýšľanie.

Generátory MHD boli v mnohých krajinách brané vážne, pretože v takýchto strojoch je možné v turbínach tepelných elektrární použiť plazmu 8...10 krát teplejšiu ako para a zároveň podľa známeho Carnotovho vzorca , účinnosť už nebude 40, ale celých 60 %. Preto v najbližších rokoch začne pri Rjazani fungovať prvý priemyselný MHD generátor s výkonom 500 MW.

Samozrejme, nie je ľahké vytvoriť a ekonomicky využívať takúto stanicu: nie je jednoduché umiestniť do blízkosti prúd plazmy (2500 K) a kryostat s vinutím v tekutom héliu (4...5 K); horúce elektródy horia a stávajú sa troskou, prísady, ktoré boli do paliva pridané len na ionizáciu plazmy, ale očakávané výhody by mali odôvodniť všetky náklady na prácu.

Viete si predstaviť, ako vyzerá supravodivý magnetický systém generátora MHD. Po stranách plazmového kanála sú umiestnené dve supravodivé vinutia, oddelené od vinutí viacvrstvovou tepelnou izoláciou. Vinutia sú upevnené v titánových kazetách a medzi nimi sú umiestnené titánové rozpery. Mimochodom, tieto kazety a rozpery musia byť extrémne pevné, pretože elektrodynamické sily vo vinutiach s prúdom majú tendenciu ich roztrhnúť a pritiahnuť k sebe.

Keďže v supravodivom vinutí nevzniká žiadne teplo, chladnička potrebná na prevádzku supravodivého magnetického systému musí odoberať iba teplo, ktoré sa dostane do kryostatu s tekutým héliom cez tepelnú izoláciu a prúdové vodiče. Straty v prúdových vedeniach možno znížiť takmer na nulu použitím skratovaných supravodivých cievok napájaných supravodivým jednosmerným transformátorom.

Skvapalňovač hélia, ktorý doplní stratu hélia vyparujúceho sa cez izoláciu, by mal podľa prepočtov vyrobiť niekoľko desiatok litrov tekutého hélia za hodinu.Takéto skvapalňovače vyrába priemysel.

Bez supravodivých vinutí by boli veľké tokamaky nereálne. V inštalácii Tokamak-7 napríklad vinutie s hmotnosťou 12 ton obteká prúd 4,5 kA a vytvára magnetické pole 2,4 Tesla na osi plazmového torusu s objemom 6 m3. Toto pole vytvára 48 supravodivých cievok, spotrebujúcich len 150 litrov tekutého hélia za hodinu, na ktorého opätovné skvapalnenie je potrebný výkon 300...400 kW.

Veľký energetický sektor potrebuje nielen ekonomické, kompaktné a výkonné elektromagnety, ale pre vedcov pracujúcich s rekordne silnými poľami je ťažké sa bez nich zaobísť. Zariadenia na magnetickú separáciu izotopov sa stávajú rádovo produktívnejšími. O projektoch veľkých urýchľovačov bez supravodivých elektromagnetov sa už neuvažuje. Úplne nemožné je zaobísť sa bez supravodičov v bublinových komorách, ktoré sa stávajú mimoriadne spoľahlivými a citlivými detektormi elementárnych častíc. Tak jeden z rekordne veľkých magnetických systémov na supravodičoch (Argonne National Laboratory, USA) vytvára pole 1,8 Tesla s uloženou energiou 80 MJ. Gigantické vinutie s hmotnosťou 45 ton (z toho 400 kg išlo na supravodič) s vnútorným priemerom 4,8 m, vonkajším priemerom 5,3 m a výškou 3 m vyžaduje len 500 kW na chladenie na 4,2 K - zanedbateľný výkon.

Ešte pôsobivejší je supravodivý magnet bublinkovej komory v Európskom stredisku jadrového výskumu v Ženeve. Má nasledujúce vlastnosti: magnetické pole v strede až 3 Tesla, vnútorný priemer „cievky“ 4,7 m, uložená energia 800 MJ.

Koncom roku 1977 bol v Ústave teoretickej a experimentálnej fyziky (ITEP) uvedený do prevádzky jeden z najväčších svetových supravodivých magnetov Hyperon. Jeho pracovná plocha má priemer 1 m, pole v strede systému je 5 Tesla (!). Unikátny magnet je určený na vykonávanie experimentov na protónovom synchrotróne IHEP v Serpuchove.

Po pochopení týchto pôsobivých čísel je akosi nepohodlné povedať, že technický vývoj supravodivosti sa len začína. Ako príklad si môžeme spomenúť kritické parametre supravodičov. Ak teplota, tlak, prúd, magnetické pole prekročí určité limitné hodnoty, nazývané kritické, supravodič stratí svoje nezvyčajné vlastnosti a zmení sa na obyčajný materiál.

Je celkom prirodzené využiť prítomnosť fázového prechodu na kontrolu vonkajších podmienok. Ak existuje supravodivosť, potom je pole menšie ako kritické; ak bol odpor snímača obnovený, pole je nad kritickým. Už bola vyvinutá séria širokej škály supravodivých meračov: bolometer na satelite dokáže „cítiť“ zapálenú zápalku na Zemi, galvanometre sa stávajú niekoľkotisíckrát citlivejšími; V ultrakvalitných rezonátoroch sa kmity elektromagnetického poľa zdajú byť zachované, pretože extrémne dlho neutíchajú.

Teraz je čas pozrieť sa na celú elektrickú časť energetického sektora, aby sme pochopili, ako môže rozptýlenie supravodivých zariadení poskytnúť celkový národný ekonomický efekt. Supravodiče môžu zvýšiť jednotkový výkon jednotiek na výrobu elektrickej energie, vysokonapäťová energia sa môže postupne zmeniť na niekoľkoampérovú energiu, namiesto štvor- až šesťnásobnej premeny napätia medzi elektrárňou a spotrebiteľom je reálne hovoriť o jednej alebo dvoch transformácií so zodpovedajúcim zjednodušením a znížením nákladov na obvod, celková účinnosť elektrických sietí sa nevyhnutne zvýši v dôsledku strát v Joule. To však nie je všetko.

Elektrické systémy nevyhnutne získajú iný vzhľad, keď používajú supravodivé indukčné zariadenia na ukladanie energie (SPIN)! Faktom je, že zo všetkých odvetví len energetika nemá žiadne sklady: vyrobené teplo a elektrinu nie je kam skladovať, musia sa okamžite spotrebovať. So supravodičmi sa spájajú isté nádeje. V dôsledku absencie elektrického odporu v nich môže prúd cirkulovať uzavretým supravodivým obvodom neobmedzene dlhý čas bez útlmu, až kým nepríde čas, aby ho spotrebiteľ stiahol. SPINy sa stanú prirodzenými prvkami elektrickej siete, stačí ich vybaviť regulátormi, spínačmi alebo prúdovými či frekvenčnými meničmi v kombinácii so zdrojmi a spotrebičmi elektriny.

Energetická náročnosť SPINov môže byť veľmi rozdielna – od 10-5 (energia kufríka, ktorý vám vypadol z rúk) až po 1 kWh (10-tonový blok, ktorý spadol z útesu 40 m) alebo 10 miliónov kWh! Takýto výkonný pohon by musel mať veľkosť bežiaceho pásu okolo futbalového ihriska, jeho cena by bola 500 miliónov dolárov a jeho účinnosť by bola 95 %. Ekvivalentná prečerpávacia elektráreň bude o 20 % lacnejšia, no na svoje potreby minie tretinu výkonu! Rozdelenie nákladov na takýto SPIN podľa komponentov je poučné: pre chladničky 2...4 %, pre meniče prúdu 10 %, pre supravodivé vinutie 15...20 %, pre tepelnú izoláciu studenej zóny 25 %, a na obväzy, upevňovacie prvky a rozpery - takmer 50 %.

Keďže správa G.M. Krzhizhanovsky, podľa plánu GOELRO na VIII. Všeruskom zjazde sovietov uplynulo viac ako pol storočia. Realizácia tohto plánu umožnila zvýšiť kapacitu elektrární krajiny z 1 na 200...300 miliónov kW. Teraz je tu zásadná príležitosť niekoľkokrát posilniť energetické systémy krajiny ich presunom na supravodivé elektrické zariadenia a zjednodušením samotných princípov výstavby takýchto systémov.

Základom energetiky na začiatku 21. storočia môžu byť jadrové a termonukleárne stanice s mimoriadne výkonnými elektrickými generátormi. Elektrické polia generované supravodivými elektromagnetmi budú môcť prúdiť ako mohutné rieky pozdĺž supravodivých elektrických vedení do supravodivých zariadení na uchovávanie energie, odkiaľ ich budú podľa potreby odoberať spotrebitelia. Elektrárne budú schopné vyrábať energiu rovnomerne vo dne aj v noci a ich oslobodenie od plánovaných režimov by malo zvýšiť účinnosť a životnosť hlavných blokov.

Vesmírne solárne stanice môžu byť pridané k pozemným elektrárňam. Vznášajúc sa nad pevnými bodmi na planéte by museli premieňať slnečné lúče na krátkovlnné elektromagnetické žiarenie, aby posielali sústredené prúdy energie do pozemných meničov na priemyselné prúdy. Všetky elektrické zariadenia pozemných elektrických systémov musia byť supravodivé, inak budú straty vo vodičoch konečnej elektrickej vodivosti zjavne neprijateľne veľké.

Vladimír KARTSEV "Magnet na tri tisícročia"