Вам цей електромотор, що збирають робочі, здається величезним? Якби. Для своєї потужності ця екзотична електромашина надзвичайно мала (фото American Superconductor).
З моменту відкриття надпровідності в 1911 році вчені поступово підняли температуру переходу в надпровідний стан до зручних для промисловості величин. Тепер незвичайні матеріали переміщаються з лабораторій в повсякденне життя. Як вам, наприклад, бойовий корабель зі надпровідним мотором або міська електромережа на надпровідниках?
Виглядає все це чистої фантастикою, але стає реальністю прямо на наших очах. Якщо перші ефекти надпровідності вчені спостерігали при температурах трохи вище абсолютного нуля, то тепер цифри виглядають куди привабливіше. Але про світовий рекорд високотемпературного надпровідника скажемо пізніше, а поки подивимося, що обіцяє нам на практиці здатність деяких матеріалів проводити струм з нульовим електричним опором.
Тут не обійтися без розповіді про досягнення American Superconductor. Ця компанія вже відома читачам «Мембрани»: недавно вона налагодила випуск промислових надпровідних кабелів для енергетичних мереж.
Японський поїзд на магнітній подушці MLX-01, що курсує разом з побратимом MLX-02 по двухпутной дослідної гілці довжиною в 18 кілометрів, досягає швидкості в 581 кілометр на годину. Пізніше ця гілка стане частиною комерційної лінії Токіо-Осака. MLX використовують для створення ефекту левітації котушки з високотемпературних надпровідників (фото Yosemite з сайту de.wikipedia.org).
Як пише BBC News, короткі секції кабелів American Superconductor, здатних нести в 150 разів більший струм, ніж мідний провідник того ж розміру, вже працюють в місті Колумбус (Columbus), в Огайо. А незабаром в лад повинен вступити 800-метровий силовий кабель, також від American Superconductor, який братиме участь у передачі навантажень в енергосистемі острова Лонг-Айленд (Нью-Йорк).
Нові кабелі працюють при температурі рідкого азоту, що робить їх привабливими для різних промислових застосувань. Адже криогенні системи на рідкому азоті давно звичні і широко поширені. Для справжньої революції залишається тільки налагодити охолодження рідким азотом досить протяжних енергетичних мереж, що представляє певну проблему. Але цілком вирішуване.
Однак і надпровідники, що працюють при менших температурах, виявляється, також можуть зайняти свою нішу в техніці.
Зверніть увагу, ми не будемо говорити про буквально одиничних виробах і екзотичних областях застосування, на зразок величезних прискорювачів елементарних частинок або токамаков. З надпровідників, скажімо, можна робити обмотки великих електромоторів.
Надпровідник нового покоління (сріблястий) набагато тонше мідного кабелю (в центрі), при рівній переданої потужності. Справа: так American Superconductor ілюструє різницю між мідними кабелями (під автодорогою) і кабелем надпровідним (під пішохідною доріжкою), що несуть одну і ту ж потужність (фото і ілюстрація American Superconductor).
36.5 HTS motor має потужність на валу в 36,5 мегават (49 тисяч кінських сил), що розвиваються при 120 оборотах в хвилину (відповідний жахливий крутний момент можете порахувати самі). До речі, збірка цього електромотора показана на фото під заголовком.
В обмотці ротора тут використовуються надпровідники BSCCO і Bi-2223 (оксид складного складу на основі вісмуту), які працюють при температурі 35-40 градусів за Кельвіном. Охолоджуються вони газоподібним гелієм, що підводиться через порожнистий вал до ротора машини.
Статорна обмотка цього мотора не надпровідна - вона виконана з міді і має просте рідинне охолодження. Однак вона також відрізняється від обмоток звичайних електромоторів. Наприклад, всередині неї немає звичного залізного сердечника. Надпотужне поле ротора і так прекрасно «насичує» статор, через який, до слова, пропускається вельми мала частка загального струму, споживаного цим гігантом.
HTS motor був спеціально спроектований під американські військові кораблі наступного покоління, для яких задумана повністю електрична рухова система.
Американські військові кораблі нового покоління планується оснащувати сверхпроводящими електромоторами для приводу гвинта, такими, як HTS motor (ілюстрація American Superconductor).
ККД HTS motor на повній потужності перевищує 97%, а на одній третині навантаження і зовсім наближається до 99%.
Зауважимо, звичайні електромотори деяких типів також можуть показувати ККД близько 95-97%. У чому ж різниця? Справа в тому, що таку високу ефективність вони видають далеко не у всьому діапазоні оборотів і навантаження, а в багатьох режимах руху «провалюються» до більш скромних величин ККД - приблизно в 85-88%.
Надпровідний же мотор показує настільки пристойний ККД починаючи з 5% від максимальної швидкості і до максимальних своїх оборотів (а значить, і швидкості корабля).
Таким чином, на низьких навантаженнях HTS motor, що приводить корабельний гвинт, економить судну більше 10% палива, що спалюється в газотурбінних генераторах або дизель-генераторах, або 10% споживаної з корабельної мережі електричної потужності, якщо на судні - атомна силова установка. Додамо, що в озвученому вище ККД HTS motor вже враховані енерговитрати на роботу кріогенної системи охолодження.
Проте головною перевагою своїх морських електромоторів American Superconductor вважає навіть не економічність, а малі габарити і масу. Модель потужністю 36,5 мегават важить 69 тонн і має товщину в 3,4 метра, ширину 4,6 метра, а висоту 4,1 метра. Традиційний «мідний» електромотор з тими ж вихідними параметрами мав би масу порядку 200-300 тонн, а габарити - приблизно вдвічі більші.
Для судна середніх розмірів ця різниця - не дрібниця. Зменшивши розміри машинного відділення, можна зайвий обсяг віддати під вантаж, пасажирів або боєприпаси (якщо мова йде про військовому кораблі). Та й економію ваги в 130-230 тонн можна пустити на щось корисне.
Крім того, HTS motor працює набагато тихіше звичайного електромотора тієї ж потужності. Так, за інформацією компанії, 25-мегаваттна 60-тонна версія HTS motor шумить на повній швидкості з силою всього в 48 децибел - інший настільний комп'ютер голосніше.
Порівняння звичайного електромотора на 36,5 мегават (зліва) і такого ж по потужності мотора типу HTS. Творці останнього стверджують, що, крім безлічі інших переваг, надпровідний електромотор такої потужності ще й дешевше класичного, і має кращу ремонтопридатність (ілюстрація American Superconductor).
Магніторезонансні сканери з надпровідними обмотками, охолоджувані рідким гелієм, давно вже нікого не дивують. Вони працюють у багатьох великих шпиталях.
Тепер ось на сцену вийшли серійні надпровідні кабелі та проводи під газоподібний гелій і той же рідкий азот. Благо американським інженерам вдалося вирішити проблему ламкості надпровідних матеріалів. Нові провідники являють собою чергування найтонших (в нанометра) шарів з надпровідників, розміщених на тонких (в долі міліметра) металевих підкладках. Так виходять жили, здатні легко гнутися, подібно до того, як це відбувається з оптоволокном, хоча і зроблена вона зі скла.
А що далі? Нещодавно були знайдені нові надпровідники з ще більш дивними властивостями. Наприклад, складний склад на основі ртуті, який має температуру переходу в надпровідний стан в 134 градуса за Кельвіном (мінус 139 за Цельсієм).
Нехай до практичного застосування ртутного складу ще дуже далеко, все ж, відкриття вселяє надію. Може, незабаром створять більш зручний і досконалий надпровідник?