Энергия завтрашнего дня
Создание и широкое внедрение сверхпроводящих электрических систем, не ограниченных явлением сопротивления, больше не кажется фантастикой.
Создание и широкое внедрение сверхпроводящих электрических систем, не ограниченных явлением сопротивления, больше не кажется фантастикой. Разработкой таких прорывных комплексов, использовать которые планируется на транспортных средствах и в наземной энергетике, успешно занимаются специалисты МАИ.
Проект МАИ амбициозен и уникален: впервые в России ученые сосредоточены на сверхпроводящих системах в целом, а не на их отдельных компонентах. Конечная цель — разработка фундаментальных основ расчета и принципов построения таких систем. В 2020 году эта работа была поддержана на федеральном уровне: Министерство науки и высшего образования РФ предоставило МАИ грант на проведение исследований, выделив университет среди нескольких сотен претендентов.
Экономичность и экологичность
Над созданием эффективных электрических машин сегодня работают ведущие научные коллективы мира. Это направление открывает широкие перспективы в производстве летательных аппаратов, морских судов и наземного транспорта будущего.
Концепция электрических транспортных средств несет в себе ряд существенных плюсов: во-первых, электрические системы не загрязняют атмосферу вредными выбросами и безопасны для окружающей среды, во-вторых, они обладают высокой экономичностью и эффективностью. Так, КПД лучшего на сегодняшний день авиадвигателя, по данным Airbus, составляет 38%, а электрической машины — 99%.
Переход к новым энергетическим схемам станет настоящей революцией в промышленности. Однако концепция электрических подвижных объектов принципиально не может быть реализована без сверхпроводимости. Сверхпроводимость — это явление исчезновения электрического сопротивления некоторых химических элементов при температуре ниже критической. Без данного эффекта оборудование необходимой мощности окажется чересчур громоздким и тяжелым. Это критично даже для таких крупных транспортных средств, как морские суда, не говоря о летательных аппаратах, к массогабаритным показателям которых применяются наиболее жёсткие требования.
Сверхпроводниковые системы уникальны тем, что дают кратное преимущество по массе и габаритам по сравнению с традиционным электрическим оборудованием при одинаковом уровне мощностей.
Ранние исследования
Исследования в области сверхпроводимости с 60-х годов прошлого века проводились на кафедре 310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ. Их результатом стало создание в 1985 году первого в СССР синхронного сверхпроводникового генератора бортового исполнения. Наиболее существенный вклад в изучение сверхпроводимости в МАИ внесли профессора, доктора технических наук Борис Львович Алиевский, Дмитрий Александрович Бут, Лев Кузьмич Ковалев.
В 80-х годах была открыта высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), то есть потеря электрического сопротивления определенными материалами при температурах ниже точки кипения азота (—196 °C). Речь идет о керамиках на основе соединения редкоземельных элементов, меди, бария и кислорода.
— С конца 80-х годов началась работа по применению таких материалов в области электромеханики, — рассказывает заведующий кафедрой 310 Константин Львович Ковалев. — В 90-х и начале 2000-х годов работы проводились в российско-немецкой кооперации. Более чем за 10 лет был создан ряд электрических машин разнообразных типов и уровней мощностей, что позволило сделать вывод о перспективности и конкурентоспособности данной концепции.
Разработки ученых МАИ нашли своё применение в приводах криогенных насосов для сверхпроводниковых кабелей и в специальных приводах подачи криогенного топлива для летательных аппаратов. В 2002 году в кооперации с немецкими учеными был создан ВТСП-электродвигатель мощностью 500 кВт, который впоследствии использовался немецкой стороной в составе специализированных вибростендов для испытания автомобилей .
Наработки последних лет
Начиная с 2010 года в рамках национального проекта «Сверхпроводниковая индустрия» кафедра 310 объединила свои силы в изучении сверхпроводимости с кафедрами 203 «Конструкция и проектирование двигателей», 204 «Авиационно-космическая теплотехника», 303 «Приборы и измерительно-вычислительные комплексы», 702 «Системы приводов авиационно-космической техники», региональным вычислительным центром МАИ (РВЦ-3), а также рядом российских институтов и организаций: АО «НИИЭМ» (город Истра), МГТУ им. Н.Э. Баумана, ОАО «ВПО «Точмаш» (город Владимир), ГНЦ ИФВЭ (город Протвино), НИЦ «Курчатовский институт», МИФИ.
В то время коммерчески доступными стали длинномерные композиты на основе высокотемпературных сверхпроводников, имеющие сложную многослойную структуру. При слое сверхпроводника толщиной всего 1–2 микрона такие материалы оказались способны пропускать гигантские токи при низких температурах: в тысячи, а иногда и в десятки тысяч раз больше по сравнению с медными проводниками аналогичного сечения.
— Специалисты МАИ в кооперации с партнёрами провели большую работу по изучению свойств таких материалов и отработали технологию производства катушек из них, — продолжает Константин Львович. — В результате пять лет назад был успешно выполнен ряд проектов по созданию крупных машин со сверхпроводниковыми длинномерными композитами, в частности прототип ветрогенератора мощностью 1 МВт, также подходящий для применения в качестве двигателя морских судов. Его масса вместе с системой криогенного обеспечения составила 7 т против массы традиционных двигателей той же мощности 25 т.
Отдельно стоит остановиться на разработанной в МАИ замкнутой системе криогенного обеспечения, способной функционировать и поддерживать необходимую для работы машины температуру без вмешательства человека. КПД таких установок, доступных на рынке, невелик — менее 5%. Исследования ученых МАИ позволили увеличить это значение до рекордных 12%.
Коллективом МАИ рассматривается также концепция электрического самолета с гибридной силовой установкой и сверхпроводниковыми электрическими машинами.
Молодые специалисты
Команда проекта включает в себя более 100 человек, среди которых — доктора и кандидаты наук, аспиранты и студенты. Средний возраст участников — менее 40 лет.
Молодые специалисты работают над моделированием процессов в сверхпроводниковых элементах, занимаются расчётом и проектированием ВТСП-устройств, а также проводят экспериментальные исследования. — Мы с большим интересом занимаемся разработкой сверхпроводниковых электрических машин. Считаем, что за ними будущее, — говорит студент четвертого курса кафедры 310 Никита Малевич.
Ежегодно аспиранты кафедры 310 защищают кандидатские диссертации по тематике прикладной сверхпроводимости. Таким образом, МАИ уже сегодня готовит специалистов, которые станут лидерами изменений в самом ближайшем будущем.
Первые в России
До настоящего времени учёные всего мира занимались разработкой отдельных устройств на основе эффекта сверхпроводимости. Специалисты МАИ пошли дальше и поставили перед собой комплексную задачу изучить процессы, протекающие в системах при отсутствии активного электрического сопротивления, их закономерности и принципы устойчивости.
— Широкое внедрение сверхпроводящих устройств станет возможным только тогда, когда вся система полностью, а не только генератор, двигатель или кабель, станет сверхпроводящей. И именно на это нацелен проект, который сейчас реализуется в МАИ, — подчеркивает заведующий кафедрой 310.
Проект уникален для России и не имеет аналогов. В нем задействованы специалисты институтов № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки», № 3 «Системы управления, информатика и электроэнергетика», № 6 «Аэрокосмический» и № 12 «Аэрокосмические наукоемкие технологии и производства» МАИ.
В кооперации с МАИ работают ученые Института теплофизики им. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (город Новосибирск). В их задачи входит исследование теплофизических свойств сверхпроводниковых лент и катушек из них, которые являются анизотропными композитами. Данные фундаментальные исследования вносят решающий вклад в проектирование нового поколения ВТСП-устройств и систем на их основе. Также задействованы участники из Объединенного института высоких температур РАН, конструкторского бюро «Энергия» и зарубежные специалисты из Ноттингемского университета, французского университета Нанси и др.
Курс на инновации
Впереди у исследователей — поиск рациональных схем гибридных и полностью электрических систем движения, исходя из температуры, свойств материалов, типов используемых электрических компонентов и систем криогенного обеспечения. А конечная цель — построение полностью сверхпроводниковых систем электродвижения.
Сегодня в проекты, связанные со сверхпроводимостью, инвестируют крупнейшие мировые компании, такие как Siemens, Airbus, Rolls- Royce и другие. Что касается отечественной индустрии, активную позицию в отношении новых технологий в системах электродвижения занимают холдинг «Вертолёты России», Объединенная двигателестроительная корпорация, предприятия Минобороны РФ. Поддерживает такого рода проекты Фонд перспективных исследований, который стремится внедрять инновационные разработки в оборонную отрасль. Особый интерес к ВТСП-технологиям проявляют энергетические компании. Это связано с ежегодным повышением требований к экологичности, стремлением к увеличению КПД и снижению расходов по эксплуатации всех энергетических устройств. Также исследования актуальны для таких крупных игроков рынка, как ОАО «Российские железные дороги», госкорпорация «Росатом», ПАО «Россети» и другие.
Раскрытие потенциала сверхпроводимости — историческая веха, которая откроет новую эпоху сразу в ряде областей, включая авиацию. Находиться в авангарде этого важнейшего исследования — большая ответственность для МАИ, и есть все основания полагать, что данной работой университет вновь подтвердит свой статус лидера в области высокотехнологичных решений для отечественной авиационной промышленности и электроэнергетического комплекса.
Юлия Мартынова
