Холодное сердце корвета будущего использует чудеса сверхпроводимости
С момента открытия сверхпроводимости в 1911 году учёные неспешно подняли температуру перехода в сверхпроводящее состояние до удобных для индустрии размеров. Сейчас необыкновенные материалы перемещаются из лабораторий в повседневную судьбу. Как вам, например, боевой корабль со сверхпроводящим мотором либо городская электрическая сеть на сверхпроводниках?
Выглядит всё это чистой фантастикой, но делается действительностью прямо на отечественных глазах. В случае если первые эффекты сверхпроводимости учёные замечали при температурах немногим выше безотносительного нуля, то сейчас цифры выглядят куда привлекательнее. Но о мировом рекорде высокотемпературного сверхпроводника скажем позднее, а до тех пор пока посмотрим, что сулит нам на практике свойство некоторых материалов проводить ток с нулевым электрическим сопротивлением.
Тут не обойтись без рассказа о достижениях American Superconductor. Эта компания уже известна читателям «Мембраны»: сравнительно не так давно она наладила выпуск промышленных сверхпроводящих кабелей для энергетических сетей.
Японский поезд на магнитной подушке MLX-01, курсирующий вместе с собратом MLX-02 по двухпутной умелой ветке длиной в 18 километров, достигает скорости в 581 км/ч. Позднее эта ветка станет частью коммерческой линии Токио-Осака.
MLX применяют для результата левитации катушки из высокотемпературных сверхпроводников (фото Yosemite с сайта de.wikipedia.org).
Как пишет BBC News, маленькие секции кабелей American Superconductor, способных нести в 150 раз больший ток, чем бронзовый проводник того же размера, уже трудятся в городе Колумбус (Columbus), в Огайо. А скоро в строй обязан вступить 800-метровый силовой кабель, кроме этого от American Superconductor, что будет принимать участие в передаче нагрузок в энергосистеме острова Лонг-Айленд (Нью-Йорк).
Новые кабели действующий при температуре жидкого азота, что делает их привлекательными для разных промышленных применений. Так как криогенные совокупности на жидком азоте в далеком прошлом привычны и обширно распространены. Для настоящей революции остаётся лишь наладить охлаждение жидким азотом достаточно протяжённых энергетических сетей, что воображает определённую проблему.
Но в полной мере решаемую.
Но и сверхпроводники, действующий при меньших температурах, выясняется, также будут занять собственную нишу в технике.
Обратите внимание, мы не будем говорить о практически экзотических областях и единичных изделиях применения, наподобие огромных ускорителей элементарных частиц либо токамаков. Из сверхпроводников, скажем, возможно делать обмотки громадных электромоторов.
Сверхпроводник нового поколения (серебристый) намного уже бронзового кабеля (в центре), при равной передаваемой мощности. Справа: так American Superconductor иллюстрирует отличие между бронзовыми кабелями (под дорогой) и кабелем сверхпроводящим (под пешеходной дорожкой), несущими одну и ту же мощность (фото и иллюстрация American Superconductor).
Таковой увлекательной темой и занимается на данный момент American Superconductor. Ещё в 2003 году эта компанияпостроила и испытала умелый 5-мегаваттный электромотор на высокотемпературных сверхпроводниках (так называемый HTS motor, синхронный, переменного тока). А вот сейчас, в кооперации с Northrop Grumman , она выстроила для американских ВМС настоящий двигатель-монстр.
36.5 HTS motor владеет мощностью на валу в 36,5 милионов ватт (49 тысяч лошадиных сил), развиваемых при 120 оборотах в 60 секунд (соответствующий ужасный крутящий момент имеете возможность посчитать сами). Кстати, сборка этого электромотора продемонстрирована на фото под заголовком.
В обмотке ротора тут употребляются сверхпроводники BSCCO и Bi-2223 (оксид сложного состава на базе висмута), каковые действующий при температуре 35-40 градусов по Кельвину. Охлаждаются они газообразным гелием, подводимым через полый вал к ротору автомобили.
Статорная обмотка этого мотора не сверхпроводящая – она выполнена из меди и имеет простое жидкостное охлаждение. Но она кроме этого отличается от обмоток простых электромоторов. К примеру, в неё нет привычного металлического сердечника.
Сверхмощное поле ротора и без того замечательно «насыщает» статор, через что, к слову, пропускается малая часть неспециализированного тока, потребляемого этим гигантом.
HTS motor был намерено спроектирован под американские боевые суда нового поколения, для которых задумана всецело электрическая двигательная совокупность.
Американские боевые суда нового поколения планируется оснащать сверхпроводящими электромоторами для привода винта, такими, как HTS motor (иллюстрация American Superconductor).
КПД HTS motor на полной мощности превышает 97%, а на одной трети нагрузки и вовсе приближается к 99%.
Увидим, простые электромоторы некоторых типов также будут показывать КПД порядка 95-97%. В чём же отличие? Дело в том, что такую высокую эффективность они выдают далеко не во всём диапазоне нагрузки и оборотов, а во многих режимах перемещения «проваливаются» до более скромных размеров КПД – приблизительно в 85-88%.
Сверхпроводящий же мотор показывает столь приличный КПД начиная с 5% от большой скорости и до больших собственных оборотов (соответственно, и скорости корабля).
Так, на низких нагрузках HTS motor, приводящий корабельный винт, экономит судну более 10% топлива, сжигаемого в газотурбинных генераторах либо дизель-генераторах, или 10% потребляемой из корабельной сети электрической мощности, в случае если на судне — ядерная силовая установка. Добавим, что в озвученном выше КПД HTS motor уже учтены энергозатраты на работу криогенной совокупности охлаждения.
Но главным преимуществом собственных морских электромоторов American Superconductor вычисляет кроме того не экономичность, а малые габариты и массу. Модель мощностью 36,5 милионов ватт весит 69 тысячь киллограм и имеет толщину в 3,4 метра, ширину 4,6 метра, а высоту 4,1 метра. Классический «бронзовый» электромотор с теми же выходными параметрами имел бы массу порядка 200-300 тысячь киллограм, а габариты — приблизительно в два раза громадные.
Для судна средних размеров эта отличие — не пустяк. Снизив размеры машинного отделения, возможно лишний количество дать под груз, пассажиров либо снаряды (в случае если речь заходит о армейском корабле). Да и экономию веса в 130-230 тысячь киллограм возможно разрешить войти на что-нибудь нужное.
Помимо этого, HTS motor трудится намного тише простого электромотора той же мощности. Так, по данным компании, 25-мегаваттная 60-тонная версия HTS motor шумит на полной скорости с силой всего в 48 децибелов – другой настольный компьютер громче.
Сравнение простого электромотора на 36,5 милионов ватт (слева) и для того чтобы же по мощности мотора типа HTS. Создатели последнего утверждают, что, кроме множества иных преимуществ, сверхпроводящий электромотор таковой мощности ещё и дешевле хорошего, и владеет лучшей ремонтопригодностью (иллюстрация American Superconductor).
Магниторезонансные сканеры со сверхпроводящими обмотками, охлаждаемые жидким гелием, в далеком прошлом уже никого не удивляют. Они трудятся во многих больших больницах.
Сейчас вот на сцену вышли серийные провода и сверхпроводящие кабели под газообразный гелий и тот же жидкий азот. Благо американским инженерам удалось решить проблему ломкости сверхпроводящих материалов. Новые проводники являются чередойузких (в нанометры) слоёв из сверхпроводников, размещённых на узких (в доли миллиметра) железных подложках.
Так получаются жилы, талантливые легко гнуться, подобно тому, как это происходит с оптоволокном, не смотря на то, что и сделано оно из стекла.
А что дальше? Сравнительно не так давно были отысканы новые сверхпроводники с ещё более необычными особенностями. К примеру, сложный состав на базе ртути, что имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние в 134 градуса по Кельвину (минус 139 по шкале Цельсия).
«В то время, когда мы приложили к этому материалу давление, то подняли температуру перехода до 164 Кельвинов (минус 109 по шкале Цельсия) — это рекорд», — поведал создатель этого открытия доктор наук Пол Чу (Paul Chu) из университета Хьюстона (University of Houston). Чу, увидим, первым отыскал материалы, перешагнувшие по температуре перехода планку в 77 Кельвинов (точка кипения азота при атмосферном давлении). Он открыл составы, каковые становились сверхпроводниками при 93 Кельвинах. А сейчас уже мы видим впечатляющую цифру 164…
Пускай до использования на практике ртутного состава ещё весьма на большом растоянии, однако, открытие вселяет надежду. Может, скоро создадут более эргономичный и идеальный сверхпроводник?
«Никаких принципиальных ограничений мы не видим», — говорят учёные Деннис Ньюнс (Dennis Newns) и Чан Тсуэй (Chang Tsuei) из IBM, напечатавшие свою работу, посвящённую механизму высокотемпературной сверхпроводимости, в издании Nature Physics.
Авторы этого изучения утверждают, что существование сверхпроводников, остающихся таковыми кроме того при комнатной температуре, с позиций физики вероятно. Остаётся только их отыскать.
