Холодное сердце корвета будущего использует чудеса сверхпроводимости

С момента открытия сверхпроводимости в 1911 году учёные постепенно подняли температуру перехода в сверхпроводящее состояние до удобных для промышленности величин. Теперь необычные материалы перемещаются из лабораторий в повседневную жизнь. Как вам, к примеру, боевой корабль со сверхпроводящим мотором или городская электросеть на сверхпроводниках?

Вам этот электромотор, что собирают рабочие, кажется огромным? Если бы. Для своей мощности эта экзотическая электромашина необычайно мала (фото American Superconductor). 

 

Выглядит всё это чистой фантастикой, но становится реальностью прямо на наших глазах. Если первые эффекты сверхпроводимости учёные наблюдали при температурах немногим выше абсолютного нуля, то теперь цифры выглядят куда привлекательнее. Но о мировом рекорде высокотемпературного сверхпроводника скажем позже, а пока посмотрим, что сулит нам на практике способность некоторых материалов проводить ток с нулевым электрическим сопротивлением.Тут не обойтись без рассказа о достижениях American Superconductor. Эта компания уже известна читателям “Мембраны”: недавно она наладила выпуск промышленных сверхпроводящих кабелей для энергетических сетей.

Как пишет BBC News, короткие секции кабелей American Superconductor, способных нести в 150 раз больший ток, чем медный проводник того же размера, уже работают в городе Колумбус (Columbus), в Огайо. А вскоре в строй должен вступить 800-метровый силовой кабель, также от American Superconductor, который будет участвовать в передаче нагрузок в энергосистеме острова Лонг-Айленд (Нью-Йорк).

Новые кабели работают при температуре жидкого азота, что делает их привлекательными для различных промышленных применений. Ведь криогенные системы на жидком азоте давно привычны и широко распространены. Для настоящей революции остаётся только наладить охлаждение жидким азотом достаточно протяжённых энергетических сетей, что представляет определённую проблему. Но вполне решаемую.

Однако и сверхпроводники, работающие при меньших температурах, оказывается, также могут занять свою нишу в технике.

Японский поезд на магнитной подушке MLX-01, курсирующий вместе с собратом MLX-02 по двухпутной опытной ветке длиной в 18 километров, достигает скорости в 581 километр в час. Позднее эта ветка станет частью коммерческой линии Токио-Осака. MLX используют для создания эффекта левитации катушки из высокотемпературных сверхпроводников 

Обратите внимание, мы не будем говорить о буквально единичных изделиях и экзотических областях применения, вроде огромных ускорителей элементарных частиц или токамаков. Из сверхпроводников, скажем, можно делать обмотки больших электромоторов.

Такой интересной темой и занимается сейчас American Superconductor. Ещё в 2003 году эта компания построила и испытала опытный 5-мегаваттный электромотор на высокотемпературных сверхпроводниках (так называемый HTS motor, синхронный, переменного тока). А вот теперь, в кооперации с Northrop Grumman , она построила для американских ВМС настоящий двигатель-монстр.

36.5 HTS motor обладает мощностью на валу в 36,5 мегаватт (49 тысяч лошадиных сил), развиваемых при 120 оборотах в минуту (соответствующий чудовищный крутящий момент можете посчитать сами). Кстати, сборка этого электромотора показана на фото под заголовком.

В обмотке ротора здесь используются сверхпроводники BSCCO и Bi-2223 (оксид сложного состава на основе висмута), которые работают при температуре 35-40 градусов по Кельвину. Охлаждаются они газообразным гелием, подводимым через полый вал к ротору машины.

Статорная обмотка этого мотора не сверхпроводящая – она выполнена из меди и имеет простое жидкостное охлаждение. Однако она также отличается от обмоток обычных электромоторов. Например, внутри неё нет привычного железного сердечника. Сверхмощное поле ротора и так прекрасно “насыщает” статор, через который, к слову, пропускается весьма малая доля общего тока, потребляемого этим гигантом.

Сверхпроводник нового поколения (серебристый) намного тоньше медного кабеля (в центре), при равной передаваемой мощности. Справа: так American Superconductor иллюстрирует разницу между медными кабелями (под автодорогой) и кабелем сверхпроводящим (под пешеходной дорожкой), несущими одну и ту же мощность (фото и иллюстрация American Superconductor). 

HTS motor был специально спроектирован под американские военные корабли следующего поколения, для которых задумана полностью электрическая двигательная система.

КПД HTS motor на полной мощности превышает 97%, а на одной трети нагрузки и вовсе приближается к 99%.

Заметим, обычные электромоторы некоторых типов также могут показывать КПД порядка 95-97%. В чём же разница? Дело в том, что такую высокую эффективность они выдают далеко не во всём диапазоне оборотов и нагрузки, а во многих режимах движения “проваливаются” до более скромных величин КПД – примерно в 85-88%.

Сверхпроводящий же мотор показывает столь приличный КПД начиная с 5% от максимальной скорости и до максимальных своих оборотов (а значит, и скорости корабля).

Таким образом, на низких нагрузках HTS motor, приводящий корабельный винт, экономит судну более 10% топлива, сжигаемого в газотурбинных генераторах или дизель-генераторах, либо 10% потребляемой из корабельной сети электрической мощности, если на судне — атомная силовая установка. Добавим, что в озвученном выше КПД HTS motor уже учтены энергозатраты на работу криогенной системы охлаждения.

Однако главным преимуществом своих морских электромоторов American Superconductor считает даже не экономичность, а малые габариты и массу. Модель мощностью 36,5 мегаватт весит 69 тонн и имеет толщину в 3,4 метра, ширину 4,6 метра, а высоту 4,1 метра. Традиционный “медный” электромотор с теми же выходными параметрами имел бы массу порядка 200-300 тонн, а габариты — примерно вдвое большие.

Для судна средних размеров эта разница — не пустяк. Уменьшив размеры машинного отделения, можно лишний объём отдать под груз, пассажиров или боеприпасы (если речь идёт о военном корабле). Да и экономию веса в 130-230 тонн можно пустить на что-нибудь полезное.

Американские военные корабли нового поколения планируется оснащать сверхпроводящими электромоторами для привода винта, такими, как HTS motor (иллюстрация American Superconductor). 

Кроме того, HTS motor работает намного тише обычного электромотора той же мощности. Так, по информации компании, 25-мегаваттная 60-тонная версия HTS motor шумит на полной скорости с силой всего в 48 децибелов – иной настольный компьютер громче.

Магниторезонансные сканеры со сверхпроводящими обмотками, охлаждаемые жидким гелием, давно уже никого не удивляют. Они работают во многих крупных госпиталях.

Теперь вот на сцену вышли серийные сверхпроводящие кабели и провода под газообразный гелий и тот же жидкий азот. Благо американским инженерам удалось решить проблему ломкости сверхпроводящих материалов. Новые проводники представляют собой череду тончайших (в нанометры) слоёв из сверхпроводников, размещённых на тонких (в доли миллиметра) металлических подложках. Так получаются жилы, способные легко гнуться, подобно тому, как это происходит с оптоволокном, хотя и сделано оно из стекла.

А что дальше? Недавно были найдены новые сверхпроводники с ещё более удивительными свойствами. Например, сложный состав на основе ртути, который имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние в 134 градуса по Кельвину (минус 139 по Цельсию).

“Когда мы приложили к этому материалу давление, то подняли температуру перехода до 164 Кельвинов (минус 109 по Цельсию) — это рекорд”, — рассказал автор этого открытия профессор Пол Чу (Paul Chu) из университета Хьюстона (University of Houston). Чу, заметим, первым нашёл материалы, перешагнувшие по температуре перехода планку в 77 Кельвинов (точка кипения азота при атмосферном давлении). Он открыл составы, которые становились сверхпроводниками при 93 Кельвинах. А теперь уже мы видим впечатляющую цифру 164…

Пусть до практического применения ртутного состава ещё очень далеко, всё же, открытие вселяет надежду. Может, вскоре создадут более удобный и совершенный сверхпроводник?

 

Сравнение обычного электромотора на 36,5 мегаватт (слева) и такого же по мощности мотора типа HTS. Создатели последнего утверждают, что, помимо множества иных преимуществ, сверхпроводящий электромотор такой мощности ещё и дешевле классического, и обладает лучшей ремонтопригодностью (иллюстрация American Superconductor). 

“Никаких принципиальных ограничений мы не видим”, — говорят учёные Деннис Ньюнс (Dennis Newns) и Чан Тсуэй (Chang Tsuei) из IBM, опубликовавшие свою работу, посвящённую механизму высокотемпературной сверхпроводимости, в журнале Nature Physics.

Авторы этого исследования утверждают, что существование сверхпроводников, остающихся таковыми даже при комнатной температуре, с точки зрения физики возможно. Остаётся лишь их найти.