Электрические двигатели на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Применения высокотемпературных сверхпроводников в энергетике

Фонда перспективных исследований / Фото: novomoskov.ru

Фонд перспективных исследований и компания «СуперОкс» провели семинар, посвященный разработке нового электродвигателя на основе высокотемпературных сверхпроводников с высокой удельной мощностью.

В мероприятии приняли участие эксперты и представители ФГБУ «НИЦ «Курчатовский институт», АО «НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова», АО «Высокотехнологический НИИ им. Бочвара», Госкорпорации «Росатом», АО «Русский сверхпроводник», ФГБОУ ВО «Московского авиационный институт», ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация», АО «Объединенная судостроительная корпорация», Минобороны России, а также Военно-промышленной комиссии Российской Федерации. В рамках семинара состоялась презентация технологической линии выпуска ВТСП-провода второго поколения, демонстрирующей новейшие российские технологии создания высокотемпературных сверхпроводников.

Создание демонстрационного образца двигателя запланировано на 2018 год. Благодаря новой технологии двигатель будет лишен традиционных недостатков электродвигательных систем, и станет отправной точкой для создания широкого спектра приводного оборудования, работающего на принципах сверхпроводимости. Создание компактного электродвигателя такого типа станет следующим шагом в развитии сверхпроводниковых технологий в России.

Технологическая линия выпуска ВТСП-провода / Фото: fpi.gov.ru

Уникальные свойства сверхпроводников - нулевое сопротивление и сверхвысокая плотность тока – делают их ключевым элементом для реализации прорывных электротехнических решений, открывают новые возможности для электроэнергетики, транспортных систем, медицины, космоса. Двигатели с высокой удельной мощностью и эффективностью востребованы в авиации и судостроении.

Основа технологии - ВТСП-провода, которые, как и другие сверхпроводниковые материалы, не имеют электрического сопротивления. Использование такого провода позволяет достичь очень большой плотности тока при использовании кабелей сравнительно небольшого сечения.

В настоящее время Фонд перспективных исследований проводит открытый конкурс на лучшую инновационную научно-техническую идею или передовое конструкторское, технологическое решение по разработке перспективных электротехнических систем и устройств на принципах высокотемпературной сверхпроводимости, сообщает Фонд перспективных исследований.

Справочная информация

Фонд перспективных исследований — государственный фонд, целью которого является содействие осуществлению научных исследований и разработок в интересах обороны России и безопасности государства, связанных с высокой степенью риска достижения качественно новых результатов в военно-технической, технологической и социально-экономической сферах, в том числе в интересах модернизации Вооруженных Сил Российской Федерации, разработки и создания инновационных технологий и производства высокотехнологичной продукции военного, специального и двойного назначения.

Фото: fbcdn-sphotos-d-a.akamaihd.ne

История создания

История Фонда началась 22 сентября 2010 года, когда на Комиссии при Президенте по модернизации и технологическому развитию экономики России перед Министерством обороны была поставлена задача представить предложения о создании обособленной структуры в области заказа и сопровождения прорывных, высокорискованных исследований и разработок в интересах обороны и безопасности государства, модернизации Вооружённых Сил Российской Федерации, а также создания технологий и продукции двойного назначения, в том числе с учётом зарубежного опыта. В этом же году по инициативе заместителя Министра обороны Дмитрия Чушкина в ОАО «Воентелеком» было создано подразделение по сбору и экспертизе предложений в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации - Научно-исследовательский центр «Бюро оборонных решений».

Инициатива по созданию обособленной организации была вновь инициирована Правительством в конце 2011 года, когда на должность вице-премьера был назначен Дмитрий Рогозин . Инициированная им переработка собранных к тому времени предложений по проекту фонда «Национальная безопасность и развитие» завершилась подготовкой ФЗ «О Фонде перспективных исследований», который был внесен в Государственную Думу (законопроект и сопроводительные документы, обоснования и отзывы на ФЗ).

Фактически Фонд начал деятельность в начале 2013 года, когда были утверждены бюджет, штат и руководство Фонда. Направления исследований Фонда были утверждены позднее - 7 августа 2013 г., когда на заседании Попечительского совета были утверждены первые 8 поддержанных проектов.

Структура

Структуру Фонда составляют три направления:

• Информационных исследований
• Физико-технических исследований
• Химико-биологических и медицинских исследований

Направления

Фонд разрабатывает научно-технические проекты по трем направлениям (мегапроектам): «Солдат будущего», «Оружие будущего», «Кибероружие будущего». Эти проекты нацелены на поиск решений особо значимых научно-технических проблем, которые будут определять облик средств вооружённой борьбы и систем двойного назначения через 20-30 лет. По своему содержанию и горизонту планирования они дополняют мероприятия Государственной программы вооружения, а также федеральных целевых программ в области обороноспособности и безопасности страны.

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?

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.

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 (фото Yosemite с сайта de.wikipedia.org).

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.

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.

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).

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.

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

Американские военные корабли 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%.

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.

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.

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).

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.

ВТСП моторы из МАИ (Л.К.Ковалев)
Новые типы электрических двигателей на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников

Серия гистерезисных ВТСП двигателей.

ВТСП 100 Вт	Обычный 100 Вт	Обычный 12 Вт	ВТСП двигатель 1 кВт (50 Гц)	Крионасос с ВТСП двигателем
ВТСП двигатель 0,5 кВт (50 Гц)			ВТСП двигатель 1 кВт (50 Гц)	ВТСП двигатель 4 кВт (400 Гц)

Основные технические характеристики гистерезисных ВТСП электродвигателей

Параметры	Двигатели малой мощности		Двигатели средней мощности
Мощность, Вт
Напряжение питания, В
Частота тока, Гц
Частота вращения, об/мин
Габариты, мм
Удельная масса, кг/кВт

Области возможного применения гистерезисных ВТСП двигателей: привод крионасосов, привод компрессоров, ожижителей и рефрижераторов, привод скоростных центрифуг, текстильная промышленность, аэрокосмическая техника, новое криогенное медицинское оборудование.

Гистерезисные ВТСП двигатели. Принцип ВТСП двигателя основан на использовании явления гистерезиса в объемных высокотемпературных сверхпроводниках. ВТСП элементы ротора двигателя из иттриевой керамики (YBa 2 Cu 3 O x) могут быть выполнены в форме пластин, цилиндров или стержней. Вращающийся момент двигателя определяется площадью петли гистерезиса объемных ВТСП материалов и не зависит от частоты вращения ротора. Теоретически и экспериментально показано, что при температурах жидкого азота (77К) удельные параметры гистерезисных ВТСП машин в 3- 4 раза лучше, чем для несверхпроводящих гистерезисных двигателей. Созданные гистерезисные ВТСП двигатели мощностью 100- 4000 Вт надежно работают при 77К, что пока недостижимо для аналогов на основе ВТСП композитных проводов.

Серия реактивных ВТСП двигателей

ВТСП двигатель 1 кВт (50 Гц)	ВТСП двигатель 3 кВт (50 Гц)	Узлы ВТСП двигателя 10 кВт (50 Гц)
ВТСП двигатель 2 кВт (50 Гц)	ВТСП двигатель 5 кВт (50 Гц)	ВТСП двигатель 10 кВт (50 Гц)

Основные технические характеристики реактивных ВТСП электродвигателей

Параметры	Двигатели средней мощности			Двигатели большой мощности (проект)
Мощность, Вт
Напряжение питания, В
Частота тока, Гц
Частота вращения, об/мин
Габариты, мм
Удельная масса, кг/кВт

Области возможного применения реактивных ВТСП двигателей: привод мощных крионасосов, высокоскоростной наземный транспорт, аэрокосмическая техника, промышленный привод в криоэнергетике.

Преимущества реактивных ВТСП двигателей. Известно, что мощность и коэффициент мощности реактивных двигателей определяются степенью анизотропии магнитных свойств ротора машины. В несверхпроводящих реактивных двигателях это достигается использованием в составном роторе как магнитных, так и немагнитных материалов. В ВТСП реактивных двигателях немагнитные материалы заменяются ВТСП материалами. Роторы ВТСП реактивных двигателей состоят из чередующихся ВТСП (YBa 2 Cu 3 O x) пластин и ферромагнитных пластин, и имеют предельно высокие анизотропные свойства (ферромагнитные свойства в одном направлении и диамагнитные в перпендикулярном). Это позволяет получить существенно лучшие массогабаритные параметры машин. Криогенные ВТСП реактивные двигатели, работающие в среде жидкого азота, имеют массогабаритные и энергетические параметры в 2- 3 раза выше по сравнению с традиционными (не сверхпроводящими) реактивными и асинхронными двигателями, и в диапазоне выходной мощности 5- 20 кВт имеют коэффициент мощности cosj ~0,7- 0,8.

Общественное признание. Работы по созданию новых типов ВТСП двигателей отмечены Премиями Совета РАН по проблемам ВТСП в 1994 и 1995 гг. и Дипломами Международной конференции по сверхпроводимости (Гавайи, США в 1995г. и 1997г.), Золотой медалью и Дипломом 49-ой Международной выставки инноваций, изобретений и новых технологий в Брюсселе в 2000г.

Кооперация и исполнители. Для дальнейшего развитие работ по ВТСП двигателям, в частности, для увеличения мощности до 100-500 кВт при поддержке и непосредственном участии член-корр. РАН Н.А.Черноплекова создана международная кооперация, в которую входят следующие организации: МАИ - головной разработчик, ВНИИНМ им.Бочвара, ВЭИ , ИФТТ РАН (г.Черноголовка), Институт высоких технологий в физике (IPHT,(г.Йена, Германия), электротехническая фирма "Освальд" (г.Мильтенберг, Германия), Электротехнический институт (г.Штуттгарт, Германия), Дрезденский университет (Германия), Оксфордский университет (Англия).

Проф., д.т.н. Ковалёв Лев Кузьмич

Адрес: Москва, А-80, ГСП-3, 125993. Московской государственный авиационный институт (технический университет), Волоколамское ш., дом 4, кафедра 310.

Фото: Сергей Шиловс / «Редкие земли»

Явление сверхпроводимости открывает уникальные перспективы в области электротехники, энергетики, транспорта. Уже сегодня становится возможным то, что ранее считалось фантастикой: передача энергии почти без потерь на огромные расстояния, бесконтактный высокоскоростной наземный транспорт, генерация сверхвысоких магнитных полей.

Сверхпроводимость обещает принести революционные изменения в самые различные сферы, делая возможным межпланетные космические перелеты с применением электрических ракетных двигателей, открывая новые пути к созданию летательных аппаратов с вертикальным взлетом, помогая создавать аппараты для эффективной диагностики и лечения сложнейших заболеваний и многое другое. Свойство некоторых электропроводящих материалов переходить в состояние сверхпроводимости при сверхнизких температурах было обнаружено достаточно давно, однако практическое применение этого эффекта стало реальным только после открытия в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), отмеченного Нобелевской премией по физике 1987 года. Второе поколение проводов на основе ВТСП позволяет эксплуатировать их при температуре 77 К (температура кипения жидкого азота). О развитии проекта по практическому использованию ВТСП-материалов и планах на будущее мы беседуем с создателем ЗАО «СуперОкс» Андреем Вавиловым и генеральным директором Сергеем Самойленковым .

Вавилов Андрей Петрович
Председатель Совета директоров ЗАО «СуперОкс», доктор экономических наук

Андрей Вавилов: На момент запуска проекта в 2006 году основной целью было разработать технологический подход и наладить производство высокотемпературного сверхпроводникового провода второго поколения. Сегодня полная производственная цепочка, все оборудование локализовано здесь, у нас, в Москве.
В мире есть всего пять производителей такого провода. Мы являемся единственными производителями ВТСП-провода в Европе и поставляем ленту таким знаковым потребителям, как ЦЕРН, MIT, Siemens, Кембриджский университет.
Помимо выпуска ВТСП-провода, мы постоянно работаем над прорывными ВТСП-устройствами, которые не только способствуют развитию отрасли, но и создают рынок потребления ВТСП-провода. Одна из уже завершенных разработок - сверхпроводниковые токоограничивающие устройства (ТОУ). Это крайне важное для существующих электрических сетей устройство во много раз повышает надежность энергосистемы, снижает стоимость реконструкции подстанций, упрощает эксплуатацию энергетических сетей. Принцип действия этих устройств основан на способности материала переходить из состояния с высокой проводимостью в резистивное при воздействии тока выше порогового значения. В 2017 году «СуперОкс» подписала договор на установку первого ВТСП токоограничивающего устройства 220 кВ на территории подстанции «Мнёвники» АО «Объединенная энергетическая компания» в Москве. Эти работы поддержаны Фондом развития про-мышленности. Другое направление - создание сверхпроводникового электрического двигателя для разных применений. Мы получили грант Фонда перспективных исследований на создание электрического двигателя мощностью 500 кВт. В результате этой работы ВТСП-электродвигатели можно будет адаптировать для самых различных применений: авиации, судостроения, ракетной техники. Ключевое преимущество этих двигателей заключается в том, что они при том же размере и весе выдают существенно больше мощности, в разы больше, чем традиционные аналоги. Их коэффициент полезного действия одинаково высокий при разных мощностях. Это предоставляет огромные возможности для оптимизации эффективности работы в пиковых режимах (например, на взлете летательного аппарата), позволяет снизить потребление топлива, улучшить массогабаритные показатели. Airbus и NASA, которые тоже работают в этом направлении, посчитали, что перспективный электрический самолет будет использовать в 4 раза меньше топлива, чем сейчас. И без сверхпроводимости эти электрические системы не обойдутся.

РЗ: Как развивается деятельность компании в этом направлении?

АВ: В конструкции будущего электрического или гибридного самолета будет использоваться ВТСП-кабель, первый прототип которого сейчас создается в «СуперОкс». Разработка электрического самолета предполагает применение распределенной системы тяги, для этого электрические двигатели без использования сверхпроводимости недостаточно эффективны. Улучшение массогабаритных показателей и мощности ВТСП-электродвигателей позволило начать разработки летательных аппаратов вертикального взлета, например конвертопланного типа. Другое, встречающееся все чаще наименование - «аэротакси». Сейчас вся Силиконовая долина бьется над созданием подобных летательных аппаратов, а мы уже работаем над конкретным образцом. Еще один проект - создание электрического ракетного двигателя (ЭРД) с использованием ВТСП-материалов. Электрический ракетный двигатель отличается от химических двигателей, где используется сжигаемое топливо и окислитель, крайне низким потреблением рабочего тела. ЭРД малой мощности давно используются в спутниках для коррекции их положения или орбиты. Мы хотим с использованием наших сверхпроводников сделать такие двигатели на один или два порядка мощнее. Если сейчас эти двигатели можно использовать только для коррекции орбиты, с нашим ВТСП ЭРД можно будет создать космический буксир, который сможет перемещать грузы между орбитами, например с опорной орбиты на геостационарную. Эта технология позволит осуществлять перелеты между Землей и Луной, и дальше, вплоть до дальнего космоса. Транспортировка грузов между орбитами - это будущее, о котором все мечтают, но пока еще никто к нему не смог приблизиться. Новые материалы имеют большие шансы сделать мечту реальностью уже завтра.

РЗ: На какой стадии сейчас находится разработка электрического ракетного двигателя?

АВ: Мы закончили первую стадию проектирования. В ближайшие месяцы запланировано проведение испытаний отдельных компонентов ЭРД с последующей адаптацией для использования в космосе. Надеемся, что через 3–4 года первый аппарат с нашим электрическим ракетным двигателем на основе ВТСП-магнитов полетит в космос.

Самойленков Сергей Владимирович
Генеральный директор ЗАО «СуперОкс», кандидат химических наук

РЗ: В каких еще областях используются высокотемпературные сверхпроводники в целом и продукция вашей компании в частности?

Сергей Самойленков: Несмотря на то что ВТСП были открыты 30 лет назад, удобные для применения материалы в виде проводов появились на рынке всего десять лет назад, одновременно с образованием нашей компании. Их можно использовать везде, где передаются высокие токи или создаются высокие магнитные поля, где есть ограничения в весе или габаритах оборудования, где необходимо снижать потери, и так далее. В первую очередь, ВТСП-провода нашли свое применение в электроэнергетике. Сверхпроводимость является единственным путем к созданию ускорителей частиц и коллайдеров. Все существующие сейчас большие ускорители изготовлены из низкотемпературных сверхпроводников. ВТСП-материалы второго поколения позволят увеличить эффективность существующего оборудования, повысить магнитное поле и проложить дорогу к новым открытиям, к обнаружению новых частиц и физических явлений. Поэтому, в частности, нашей продукцией интересуется ЦЕРН.

РЗ: Расскажите, как вы сотрудничаете с ЦЕРНом?

СС: Мы являемся поставщиками сверхпроводника и уникальных компонентов на основе ВТСП, конкурируя с четырьмя зарубежными компаниями. Мы выигрываем в конкурентном соревновании не за счет низкой цены - она у нас зачастую выше, чем у конкурентов, а за счет высокого качества и уровня кастомизации продукта. Мы поставляем в ЦЕРН специальные кабели, сделанные из многочисленных, компактно сложенных плоских лент. Сейчас из такого кабеля делаются магнитные вставки, которые планируется устанавливать внутри Большого коллайдера, чтобы повысить там магнитное поле. Это в перспективе позволит делать ускорители меньше по размеру. ВТСП-провода - это единственные материалы, способные работать в сверхсильных полях. Рекордные ВТСП-магниты приближаются к пределу 40 Тл. Это фантастические величины для магнитного поля, которые не в импульсном, а в постоянном режиме стали доступны человечеству только сейчас, в течение последних двух лет.

ВТСП токоограничивающее устройство
PLD-оборудование для получения слоя ВТСП методом импульсного лазерного осаждения

РЗ: Как могут ваши электрические ракетные двигатели использоваться в космической технике?

СС: Важное замечание: имеется в виду не первая ступень для выведения на орбиту, не преодоление земного притяжения, здесь все пока стандартно. Мы говорим о двигателях, с помощью которых можно будет придавать объектам значительный импульс для их передвижения в космосе. Одна из самых важных задач сейчас, которая пока не решена и которую поможет решить наш двигатель: как, используя малое количество топлива, то есть килограммы вместо тонн, можно передвигаться в космическом пространстве с приемлемой скоростью. Например, телескоп «Хаббл» сейчас требует ремонта, обслуживания. У человечества был единственный способ до него долететь (а находится он на орбите около 570 км) - космический челнок «Шаттл». После закрытия этой программы никто, ни Роскосмос, ни Китай, ни NASA, ни SpaceX, ни Япония не могут туда долететь. Это невозможно. Мы создаем двигатель, который может позволить создать космический корабль-буксир, способный справиться с такой задачей. Создаваемый ЭРД способен включаться-выключаться большое количество раз, работать более 10 лет и иметь достаточную мощность для того, чтобы перемещать тяжелые спутники весом 5–6 тонн.

АВ: Если рассматривать идеи полетов в дальний космос, то это может стать реальностью благодаря данной технологии. Все фильмы, которые мы смотрим, все фантастические корабли, которые там есть, они все летают на этом принципе и никто не летает на химическом двигателе.

РЗ: Могли бы вы рассказать о каких-то специальных сферах применения сверхпроводящих материалов?

СС: Самое зрелищное - это магнитная левитация, создаваемая эффектом сверхпроводимости, когда сверхпроводник может левитировать, летать над магнитным полотном. У нас в «СуперОкс» даже есть платформа, которая способна поддерживать до двухсот килограммов веса. Левитационный поезд на магнитной подушке, развивающий скорость до 600 км/ч, уже проходит испытания в Японии. Запуск самолетов, истребителей - их можно ускорять с помощью электромагнитной катапульты. Все электрические и магнитные компоненты военной техники могут быть кратно улучшены. Вес силовой кабельной системы на корабле может быть уменьшен в 10 раз! Американцы сейчас активно занимаются этим, изготавливают из ВТСП специальные магнитные петли, опоясывающие боевой корабль во всех направлениях, для того чтобы сделать его невидимым для магнитных систем обнаружения и неуязвимым для магнитных мин. Корабль зачастую размагничивают на стационарных стендах, но когда он движется на значительные расстояния и, например, пересекает экватор, он снова становится легко наблюдаемым и уязвимым. Поэтому важно создать активные системы размагничивания, интегрированные в корабль, которые способны подстраиваться по ходу движения судна.

Одна из шести камер IBAD - установка для изготовления буферных слоев по технологии текстурирования в ассистирующем ионном пучке

РЗ: Зачем нужны сверхвысокие магнитные поля?

СС: Во-первых, они используются в исследовательских и аналитических приборах для изучения веществ, проведения тонкого химического анализа, например методом ядерно-магнитного резонанса. Во-вторых, ускорительная техника, о которой мы говорили выше. Есть еще прикладные задачи, частично оборонного значения, например гиперзвуковое оружие, радиосвязь с возвращаемыми космическими кораблями, с управляемыми ракетами, движущимися в облаке плазмы. Во всех этих случаях чем выше поле, тем лучше качество создаваемого решения, технические характеристики, и нередко эта зависимость нелинейная. Для масштаба: постоянные магниты позволяют создать поле до 1,5 Тл, самые мощные магниты на основе низкотемпературных сверхпроводников, которые используются в ускорителях, коллайдерах и томографах, имеют поле около 20 Тл, а современные ВТСП-технологии позволяют достичь поля до 40 Тл, и это не предел.

РЗ: Какие у вас есть амбиции на ближайшие несколько лет?

АВ: Мы хотим, чтобы с помощью ВТСП-технологий космические буксиры с электрическим ракетным двигателем открыли новую страницу в освоении космического пространства, летательные аппараты вертикального взлета стали новым видом общедоступного и комфортабельного воздушного транспорта во всем мире, а архитектура электроэнергетического комплекса стала простой, современной и надежной. Мы будем стремиться занимать в этом если не главную, то одну из центральных позиций. Дорогу осилит идущий - мы исходим из этого. Компанией «СуперОкс» уже пройден большой путь от разработки уникального продукта до его интеграции в новые прорывные проекты, и мы планируем его продолжить.

ТЕКСТ: «Редкие земли» ФОТО: Сергей Шиловс

Справка
Компания «СуперОкс» была создана в 2006 году Андреем Вавиловым. На сегодняшний день компания является единственным в России и Европе производителем высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) провода второго поколения. Сверхпроводники - уникальные материалы, обладающие нулевым электрическим сопротивлением и способные проводить токи с исключительно высокой плотностью. Устройства с использованием оксидных ВТСП-материалов способны изменить облик электроэнергетики и транспорта, открывают путь к созданию более эффективного оборудования для научных исследований и специальных применений. В основе интеллектуального капитала компании лежит более 350 лет совокупного опыта работы в области технологий получения тонких покрытий из сложных оксидов и изучения свойств новых сверхпроводящих материалов. Сегодня ВТСП-продукция компании поставляется в 15 стран мира. В 2011 году открылось подразделение в Японии ― SuperOx Japan LLC. Эффективная совместная работа двух компаний послужила залогом быстрого успеха проекта.

Полную версию материала о компании «СуперОкс» читайте в ближайшем номере журнала «Редкие земли».

Одним из основных направлений развития науки намечены теоретические и экспериментальные исследования в области сверхпроводящих материалов, а одним из основных направлений развития техники - разработка сверхпроводниковых турбогенераторов.

Сверхпроводящее электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10...50 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8...1 Тл в обычных машинах. Если учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во много раз!

По мнению одного из конструкторов системы охлаждения новых типов криогенных турбогенераторов советского ученого И.Ф. Филиппова, есть основание считать задачу создания экономичных криотурбогенераторов со сверхпроводниками решенной. Предварительные расчеты и исследования позволяют надеяться, что не только размеры и масса, но и КПД новых машин будут выше, чем у самых совершенных генераторов традиционной конструкции.

Это мнение разделяют руководители работ по созданию нового сверхпроводникового турбогенератора серии КТГ-1000 академик И.А. Глебов, доктора технических наук В.Г. Новицкий и В.Н. Шахтарин. Генератор КТГ-1000 испытан летом 1975 г., за ним последовал модельный криогенный турбогенератор КТ-2-2, созданный объединением «Электросила» в содружестве с учеными Физико-технического института низких температур АН УССР. Результаты испытаний позволили приступить к постройке сверхпроводникового агрегата значительно большей мощности.

Приведем некоторые данные сверхпроводникового турбогенератора мощностью 1200 кВт, разработанного во ВНИИэлектромаш. Сверхпроводящая обмотка возбуждения выполнена из провода диаметром 0,7 мм с 37 сверхпроводящими жилами из ниобий-титана в медной матрице. Центробежные и электродинамические усилия в обмотке воспринимаются бандажом из нержавеющей стали. Между наружной толстостенной оболочкой из нержавеющей стали и бандажом размещен медный электротермический экран, охлаждаемый потоком проходящего в канале холодного газообразного гелия (он затем возвращается в ожижитель).

Подшипники работают при комнатной температуре. Обмотка статора выполнена из медных проводников (охладитель - вода) и окружена ферромагнитным экраном из шихтованной стали. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внутри оболочки из изоляционного материала. Сохранение вакуума в оболочке гарантируют уплотнители.

Опытный генератор КТГ-1000 был в свое время самым крупным по габаритам криотурбогенератором в мире. Цель его создания - отработка конструкции вращающихся криостатов больших размеров, устройств подачи гелия к сверхпроводящей обмотке ротора, исследование тепловой схемы, работы сверхпроводящей обмотки ротора, его захолаживания.

А перспективы просто завораживают. Машина мощностью 1300 МВт будет иметь длину около 10 м при массе 280 т, в то время как аналогичная по мощности машина обычного исполнения имеет длину 20 м при массе 700 т! Наконец, обычную машину мощностью более 2000 МВт создать трудно, а при использовании сверхпроводников можно реально достичь единичной мощности 20 000 МВт!

Итак, на выигрыш в материалах приходится примерно три четверти себестоимости. Облегчаются производственные процессы. Любому машиностроительному заводу проще и дешевле сделать несколько крупных электрических машин, чем большое количество мелких: меньше требуется рабочих, не так напряженно загружаются станочный парк и другое оборудование.

Для установки мощного турбогенератора нужна относительно небольшая площадь электростанции. Значит, сокращаются расходы на сооружение машинного зала, станцию можно быстрее ввести в строй. И, наконец, чем крупнее электрическая машина, тем выше ее КПД.

Однако все эти преимущества не исключают технических трудностей, возникающих при создании крупных энергетических агрегатов. И, что самое существенное, их мощность можно увеличивать лишь до определенных пределов. Расчеты показывают, что перешагнуть верхний предел, ограниченный мощностью турбогенератора 2500 МВт, ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, не удастся, так как этот предел определяется, в первую очередь, прочностными характеристиками: напряжения в механической конструкции машины более высокой мощности возрастают настолько, что центробежные силы неизбежно вызовут разрушение ротора.

Немало забот возникает при транспортировке. Для перевозки того же турбогенератора мощностью 1200 МВт пришлось построить сочлененный транспортер грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась на 16 вагонных осей.

Многие препятствия сами по себе отпадают, если использовать эффект сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы. Тогда потери в роторной обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в ней сопротивления. А раз так, повышается КПД машины. Протекающий по сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, что уже нет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его инерционность.

Создание криогенных электрических машин - не дань моде, а необходимость, естественное следствие научно-технического прогресса. И есть все основания утверждать, что к концу века сверхпроводящие турбогенераторы мощностью более 1000 МВт будут работать в энергосистемах.

Первая в Советском Союзе электрическая машина со сверхпроводниками была спроектирована в Институте электромеханики в Ленинграде еще в 1962...1963 гг. Это была машина постоянного тока с обычным («теплым») якорем и сверхпроводниковой обмоткой возбуждения. Мощность ее составляла всего несколько ватт.

С тех пор коллектив института (сейчас - ВНИИэлектромаш) работает над созданием сверхпроводящих турбогенераторов для энергетики. За истекшие годы удалось построить опытные конструкции мощностью 0,018 и 1 МВт, а затем и 20 МВт...

Каковы же особенности этого детища ВНИИэлектромаша?

Сверхпроводящая обмотка возбуждения находится в гелиевой ванне. Жидкий гелий поступает во вращающийся ротор по трубе, расположенной в центре полого вала. Испарившийся газ направляется обратно в конденсационную установку через зазор между этой трубой и внутренней стенкой вала.

В конструкции трубопровода для гелия, как и в самом роторе, есть вакуумные полости, создающие хорошую теплоизоляцию. Вращающий момент от первичного двигателя подается к обмотке возбуждения через «тепловые мосты» - конструкцию, достаточно прочную механически, но плохо передающую тепло.

В итоге конструкция ротора представляет собой вращающийся криостат со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.

Статор сверхпроводящего турбогенератора, как и в традиционном варианте, имеет трехфазную обмотку, в которой магнитным полем ротора возбуждается электродвижущая сила. Исследования показали, что применять сверхпроводящую обмотку в статоре нецелесообразно, так как на переменном токе в сверхпроводниках возникают немалые потери. Но в конструкции статора с «обычной» обмоткой есть свои особенности.

Обмотку оказалось возможным в принципе разместить в воздушном зазоре между статором и ротором и крепить по-новому, с помощью эпоксидных смол и конструктивных элементов из стеклопластика. Такая схема позволила разместить больше медных проводников в статоре.

Оригинальна и система охлаждения статора: тепло отводится фреоном, который одновременно выполняет и функцию изолятора. В перспективе это отведенное тепло можно будет использовать для практических целей с помощью теплового насоса.

В моторе турбогенератора мощностью 20 МВт был применен медный провод прямоугольного сечения 2,5 х 3,5 мм. В него впрессовано 3600 жил из ниобий-титана. Такой провод способен пропускать ток до 2200 А.

Испытания нового генератора подтвердили расчетные данные. Он оказался вдвое легче традиционных машин той же мощности, а его КПД выше на 1%. Сейчас этот генератор работает в системе «Ленэнерго» в качестве синхронного компенсатора и вырабатывает .

Но основной итог работы - колоссальный опыт, накопленный в процессе создания турбогенератора. Опираясь на него, ленинградское электромашиностроительное объединение «Электросила» приступило к созданию турбогенератора мощностью уже 300 МВт, который будет установлен на одной из строящихся в нашей стране электростанций.

Сверхпроводящая обмотка возбуждения ротора изготовлена из ниобий-титанового провода. Устройство его необычно - тончайшие ниобий-титановые проводники запрессованы в медную матрицу. Сделано это для того, чтобы предотвратить переход обмотки из сверхпроводящего состояния в нормальное в результате воздействия флуктуаций магнитного потока или других причин. Если же это все-таки произойдет, ток потечет по медной матрице, тепло рассеется, сверхпроводящее состояние восстановится.

Технология изготовления собственно ротора потребовала внедрения принципиально новых технических решений. Если ротор обычной машины делают из цельной поковки магнитопроводящей стали, то в данном случае он должен состоять из нескольких вставленных один в другой цилиндров, изготовленных из стали немагнитной. Между стенками одних цилиндров находится жидкий гелий, между стенками других создан вакуум. Стенки цилиндров, естественно, должны обладать высокой механической прочностью, быть вакуумно-плотными.

Масса нового турбогенератора, так же как масса его предшественника, почти в 2 раза меньше массы обычного той же мощности, а КПД увеличен еще на 0,5...0,7%. Турбогенератор «живет» около 30 лет и большую часть времени находился в работе, поэтому совершенно очевидно, что такое, казалось бы, небольшое увеличение КПД будет весьма солидным выигрышем.

Энергетикам нужны не только холодные генераторы. Уже изготовлено и испытано несколько десятков сверхпроводящих трансформаторов (первый из них построен американцем Мак-Фи в 1961 г.; трансформатор работал на уровне 15 кВт). Имеются проекты сверхпроводящих трансформаторов на мощность до 1 млн. кВт. При достаточно больших мощностях сверхпроводящие трансформаторы будут легче обычных на 40...50% при примерно одинаковых с обычными трансформаторами потерях мощности (в этих расчетах учитывалась и мощность ожижителя).

У сверхпроводящих трансформаторов, однако, есть и существенные недостатки. Они связаны с необходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящего состояния при перегрузках, коротких замыканиях, перегревах, когда магнитное поле, ток или температура могут достичь критических значений.

Если трансформатор при этом не разрушится, то потребуется несколько часов, чтобы снова охладить его и восстановить сверхпроводимость. В ряде случаев такой перерыв в электроснабжении неприемлем. Поэтому, прежде чем говорить о массовом изготовлении сверхпроводящих трансформаторов, необходимо разработать меры защиты от аварийных режимов и возможности обеспечения потребителей электроэнергией во время простоев сверхпроводящего трансформатора. Достигнутые в этой области успехи позволяют думать, что в ближайшем будущем проблема защиты сверхпроводящих трансформаторов будет решена, и они займут свое место на электростанциях.

В последние годы становится все более близкой к осуществлению мечта о сверхпроводящих линиях электропередачи. Все возрастающая потребность в электроэнергии делает очень привлекательной передачу большой мощности на большие расстояния. Советские ученые убедительно показали перспективность сверхпроводящих линий передачи. Стоимость линий будет сопоставима со стоимостью обычных воздушных линий передачи электроэнергии (стоимость сверхпроводника, если учесть высокое значение критической плотности его тока по сравнению с экономически целесообразной плотностью тока в медных или алюминиевых проводах, невелика) и ниже стоимости кабельных линий.

Осуществлять сверхпроводниковые линии электропередачи предполагается так: между конечными пунктами передачи в земле прокладывается трубопровод с жидким азотом. Внутри этого трубопровода располагается трубопровод с жидким гелием. Гелий и азот протекают по трубопроводам вследствие создания между исходным и конечным пунктами разности давлений. Таким образом, ожижительно-насосные станции будут лишь на концах линии.

Жидкий азот можно использовать одновременно и в качестве диэлектрика. Гелиевый трубопровод поддерживается внутри азотного диэлектрическими стойками (у большинства изоляторов диэлектрические свойства при низких температурах улучшаются). Гелиевый трубопровод имеет вакуумную изоляцию. Внутренняя поверхность трубопровода жидкого гелия покрыта слоем сверхпроводника.

Потери в такой линии с учетом неизбежных потерь на концах линии, где сверхпроводник должен стыковаться с шинами при обычной температуре, не превысят нескольких долей процента, а в обычных линиях электропередачи потери в 5...10 раз больше!

Силами ученых Энергетического института имени Г.М. Кржижановского и Всесоюзного научно-исследовательского института кабельной промышленности уже создана серия опытных отрезков сверхпроводящих кабелей переменного и постоянного тока. Подобные линии смогут передавать мощности во много тысяч мегаватт при КПД более 99%, при умеренной стоимости и относительно невысоком (110...220 кВ) напряжении. Может быть, еще более важно, что сверхпроводящие линии электропередачи не будут нуждаться в дорогостоящих устройствах компенсации реактивной мощности. Обычные линии требуют установки токовых реакторов, мощных конденсаторов, чтобы нивелировать чрезмерные потери напряжения вдоль трассы, а линии на сверхпроводниках в состоянии себя самокомпенсировать!

Сверхпроводники оказались незаменимыми и в электрических машинах, принцип действия которых предельно прост, но которых никогда раньше не строили, ибо для их работы нужны очень сильные магниты. Речь идет о магнитогидродинамических (МГД) машинах, осуществить которые Фарадей пытался еще в 1831 г.

Идея опыта проста. В воду Темзы на ее противоположных берегах погружали две металлические пластинки. Если скорость реки 0,2 м/с, то, уподобив струи воды проводникам, движущимся с запада на восток в магнитном поле Земли (его вертикальная составляющая примерно равна 5·10-5 Тл), с электродов можно снять напряжение примерно 10 мкВ/м.

К сожалению, этот опыт окончился неудачей, «генератор-река» не заработал. Фарадей не смог замерить тока в цепи. Но через несколько лет лорд Кельвин повторил опыт Фарадея и получил небольшой ток. Казалось бы, все осталось, как у Фарадея: те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются с соленой водой пролива.

Вот она разгадка! Вода ниже по течению была более соленой и, следовательно, обладала большей проводимостью! Это было сразу же зарегистрировано приборами. Увеличение проводимости «рабочего тела» - генеральный путь увеличения мощности МГД-генераторов. Но увеличить мощность можно и другим способом - повышая магнитное поле. Мощность МГД-генератора прямо пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля.

Мечты об МГД-генераторах получили реальную основу примерно в середине нашего века вместе с появлением первых партий сверхпроводящих промышленных материалов (ниобий-титан, ниобий-цирконий), из которых удалось сделать первые, еще маленькие, но работающие модели генераторов, двигателей, токопроводов, соленоидов. А в 1962 г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Вильсон и Роберт предложили проект МГД-генератора на 20 МВт с полем 4 Тл. Если обмотку сделать из медного провода, то при стоимости 0,6 мм/долл. джоулевы потери в ней «съедят» ѕ полезной мощности (15 МВт!). Зато на сверхпроводниках обмотка будет компактно облегать рабочую камеру, потерь в ней не будет, а на охлаждение уйдет всего 100 кВт мощности. КПД возрастет с 25 до 99,5%! Тут есть о чем задуматься.

МГД-генераторами занялись всерьез во многих странах, потому что в таких машинах можно использовать плазму в 8...10 раз более горячую, чем пар в турбинах тепловых электростанций, а при этом по известной формуле Карно КПД будет уже не 40, а все 60%. Вот почему в ближайшие годы недалеко от Рязани заработает первый промышленный МГД-генератор на 500 МВт.

Конечно, создать и экономично использовать такую станцию непросто: нелегко разместить рядом поток плазмы (2500 К) и криостат с обмоткой в жидком гелии (4...5 К), раскаленные электроды обгорают и зашлаковываются, из шлаков надо выщелачивать те присадки, которые только что добавлялись в топливо для ионизации плазмы, но ожидаемые выгоды должны окупить все трудозатраты.

Можно представить себе, как выглядит сверхпроводящая магнитная система МГД-генератора. Две сверхпроводящие обмотки расположены по бокам канала с плазмой, отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать, эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть друг к другу.

Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепло не выделяется, рефрижератор, который требуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен отводить лишь то тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию и токоподводы. Потери в токоподводах можно свести практически к нулю, если использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые от сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.

Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося через изоляцию, по расчетам должен вырабатывать несколько десятков литров жидкого гелия в 1 ч. Такие ожижители выпускает промышленность.

Без сверхпроводящих обмоток были бы нереальными крупные токамаки. В установке «Токамак-7», например, обмотка массой 12 т обтекается током 4,5 кА и создает на оси плазменного тора объемом 6 м3 магнитное поле 2,4 Тл. Это поле создается 48 сверхпроводящими катушками, потребляющими за час всего 150 л жидкого гелия, повторное сжижение которого требует мощности 300...400 кВт.

Не только большая энергетика нуждается в экономичных компактных мощных электромагнитах, без них трудно обойтись ученым, работающим с рекордно сильными полями. На порядок производительнее становятся установки для магнитного разделения изотопов. Уже не рассматриваются проекты крупных ускорителей без сверхпроводящих электромагнитов. Совершенно нереально обойтись без сверхпроводников на пузырьковых камерах, которые становятся чрезвычайно надежными и чувствительными регистраторами элементарных частиц. Так, одна из рекордно больших магнитных систем на сверхпроводниках (Аргоннская национальная лаборатория, США) создает поле 1,8 Тл с запасенной энергией 80 МДж. Исполинская обмотка массой 45 т (из них 400 кг ушло на сверхпроводник) при внутреннем диаметре 4,8 м, наружном 5,3 м и высоте 3 м требует для охлаждения до 4,2 К всего 500 кВт - ничтожно малую мощность.

Еще более внушительным представляется сверхпроводящий магнит пузырьковой камеры Европейского центра ядерных исследований в Женеве. Он имеет следующие характеристики: магнитное поле в центре до 3 Тл, внутренний диаметр «катушки» 4,7 м, запасенная энергия 800 МДж.

В конце 1977 г. в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) вступил в строй один из крупнейших в мире сверхпроводящих магнитов «Гиперон». Рабочая зона его имеет диаметр 1 м, поле в центре системы 5 Тл (!). Уникальный магнит предназначен для проведения экспериментов на протонном синхротроне ИФВЭ в Серпухове.

Осмыслив эти впечатляющие цифры, уже как-то неудобно говорить о том, что техническое освоение сверхпроводимости только начинается. В качестве примера можно напомнить о критических параметрах сверхпроводников. Если температура, давление, ток, магнитное поле превысят некоторые предельные значения, называемые критическими, сверхпроводник потеряет свои необычные свойства, превратившись в обычный материал.

Наличие фазового перехода вполне естественно использовать для контроля внешних условий. Если есть сверхпроводимость, значит, поле меньше критического, если у датчика восстановилось сопротивление - поле выше критического. Уже разработана серия самых разнообразных сверхпроводящих измерителей: болометр на спутнике может «почувствовать» зажженную спичку на Земле, гальванометры становятся чувствительнее в несколько тысяч раз; в резонаторах ультравысокой добротности колебания электромагнитного поля словно консервируются, ибо они чрезвычайно долго не затухают.

Теперь самое время окинуть взором всю электрическую часть энергетики, чтобы понять, как россыпь сверхпроводящих устройств может дать суммарный народнохозяйственный эффект. Сверхпроводники могут повысить единичную мощность энергоагрегатов, высоковольтная энергетика может постепенно превратиться в многоамперную, вместо четырех-шестикратного преобразования напряжения между электростанцией и потребителем реально говорить об одной-двух трансформациях с соответствующим упрощением и удешевлением схемы, общий КПД электрических сетей неминуемо вырастет вследствие джоулевых потерь. Но и это еще не все.

Электрические системы неизбежно приобретут другой вид, когда в них будут применять сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН)! Дело в том, что из всех отраслей промышленности только в энергетике нет складов: выработанное тепло и электричество хранить негде, их надо потреблять сразу. Определенные надежды связаны со сверхпроводниками. Из-за отсутствия в них электрического сопротивления ток может циркулировать по замкнутому сверхпроводящему контуру сколь угодно долго без затухания до тех пор, пока не настанет время его отбора потребителем. СПИНы станут естественными элементами электрической сети, их остается только оснастить регуляторами, переключателями или преобразователями тока или частоты при объединении с источниками и потребителями электричества.

Энергоемкость СПИНов может быть самой различной - от 10-5 (энергия портфеля, выпавшего из рук) до 1 кВт-ч (глыба 10 т, упавшая со скалы 40 м) или 10 млн. кВт-ч! Столь мощный накопитель должен иметь размеры беговой дорожки вокруг футбольного поля, его цена будет составлять 500 млн. дол., а КПД - 95%. Равноценная гидроаккумулирующая электростанция окажется на 20% дешевле, но на свои нужды потратит треть мощности! Поучительна раскладка стоимости такого СПИНа по составляющим: на рефрижераторы 2...4%, на преобразователи тока 10%, на сверхпроводящую обмотку 15...20%, на теплоизоляцию холодной зоны 25%, а на бандажи, крепления и распорки - почти 50%.

Со времени доклада Г.М. Кржижановского по плану ГОЭЛРО на VIII Всероссийском съезде Советов прошло более полувека. Претворение этого плана в жизнь позволило повысить мощность электростанций страны с 1 до 200...300 млн. кВт. Теперь появляется принципиальная возможность усилить энергосистемы страны в несколько десятков раз, переведя их на сверхпроводящее электрооборудование и упростив сами принципы построения таких систем.

Основой энергетики начала XXI века могут стать атомные и термоядерные станции с чрезвычайно мощными электрогенераторами. Электрические поля, порожденные сверхпроводящими электромагнитами, могучими реками смогут перетекать по сверхпроводящим линиям электропередачи в сверхпроводящие накопители энергии, откуда по мере необходимости будут отбираться потребителями. Электростанции смогут равномерно вырабатывать мощность и днем, и ночью, а освобождение их от плановых режимов должно повысить экономичность и срок службы главных агрегатов.

К наземным электростанциям можно добавить космические солнечные станции. Зависнув над фиксированными точками планеты, они должны будут преобразовывать солнечные лучи в коротковолновое электромагнитное из лучение, чтобы посылать сфокусированные потоки энергии к наземным преобразователям в токи промышленной назначения. Все электрооборудование наземно-космических электрических систем должно быть сверхпроводящим, в противном случае потери в проводниках конечной электропроводности окажутся, по-видимому, неприемлемо большими.

Владимир КАРЦЕВ "Магнит за три тысячелетия"