aastal Moskva Lennuinstituudis (Riiklik Uurimisülikool) (MAI). « Ülijuhtivate elektrimasinate ja -seadmete keskus" Osakond 310 on ülijuhtivuse fenomeni kasutavaid elektriseadmeid arendanud alates 1965. aastast. Aastatel 1973-1990. MAI osalusel töötati välja, loodi ja katsetati 0,5 MW madala temperatuuriga ülijuhtiva (LTSC) ühepolaarset generaatorit ja 0,7 MW võimsusega pardal asuvat sünkroongeneraatorit, mitmeid pardakrüogeensete elektrijaamade projekte. valmisid võimsus 10-30 MW.
Rakendusliku ülijuhtivuse valdkonna töö arendamiseks 1993. aastal MAI osakonnas 310 « Ülijuhtivate elektrimasinate ja -seadmete keskus". Sellest hetkest alates on Moskva Lennuinstituudi ülijuhtivate elektrimasinate ja -seadmete keskus tegelenud põhimõtteliselt uue vedela lämmastikuga jahutatavate kõrgtemperatuursete ülijuhtidega (HTSC) elektrimasinate klassi loomisega. Aastatel 1993-1997 need uuringud viidi läbi riikliku teaduse ja tehnoloogia komitee programmi "Tegelikud suundumused kondenseerunud aine füüsikas" (suund "Ülijuhtivus") raames. Ajavahemikul 1995 - 2008. Venemaa ja Saksamaa teadusministeeriumi toel (töö hulgi-HTSC-del põhinevate elektrimasinate esimeste prototüüpide loomisel). Perioodil 2009 - 2013. - projekti "Ülijuhtidetööstus" raames (komisjoni projekti "Innovatiivne energeetika" osana prioriteetsest valdkonnast "Energiatõhusus" (töö teise põlvkonna HTSC-l ja kineetilisel energiasalvestusel põhinevate elektrimasinate loomisel). magnetilise HTSC vedrustusega seadmed).
|
D. A. Medvedev uurib transpordisüsteemi paigutust |
Allpool on toodud töö tulemused «
Kaasaegsel HTSC-l põhinevate uute elektriseadmete loomise kohta ajavahemikuks 1993–2013:
– Ajavahemikul 1993 - 1999. loodi maailma esimene vedelas lämmastikus töötavate 100 W, 500 W, 1 kW ja 4 kW hüsterees-HTSC mootorite seeria. On näidatud, et need mootorid on oma kaalu ja suuruse poolest 3-4 korda paremad kui traditsioonilised elektrimasinad.
– Aastatel 1997–2000 MAI on välja töötanud, valmistanud ja katsetanud uut tüüpi reaktiivseid sünkroonseid HTSC mootoreid võimsusega 0,5 kW, 2 kW, 5 kW ja 10 kW komposiit-HTSC ferromagnetilise rootoriga, mis töötavad vedela lämmastiku temperatuuridel.
– 2002. aastal Saksa-Vene projekti "HTS Motor< 500 kW" в МАИ совместно с ВНИИ НМ им. Бочвара и ОАО «НИИЭМ» (г. Истра) создан 100 кВт реактивный ВТСП электродвигатель. В рамках той же кооперации в 2002 г. создан бортовой крионасос с ВТСП двигателем (совместно с ОАО «Туполев») для перспективных самолетов типа "Криоплан" на водородном топливе.
– 2003. aastal lõi Moskva Lennuinstituut koos FPG-ga “New Transportation Technologies” Venemaal esimese magnetvedrustuse mudeli, kasutades kiirete transpordisüsteemide jaoks mahulisi kõrgtemperatuurseid ülijuhte kandevõimega 500 kg.
– Alates 2005. aastast on MAI arendanud HTSC elektrimootoreid vesinikuenergia krüopumpade ajamite jaoks ja krüovarustussüsteeme HTSC toitekaablite jaoks. Eksperimentaalselt on näidatud, et selliste püsimagnetite ja HTSC-elementidega mootorite väljundvõimsus on 1,5 korda suurem kui traditsioonilistel sünkroonmootoritel samadel jahutustingimustel vedelas lämmastikus.
– 2007. aastal Moskva Lennuinstituudis koos OAO NPO Energomash nimelise ak. V.P. Glushko ja OAO AKB Yakor lõid ja katsetasid edukalt HTSC elektriajamiga krüopumba tööstuslikku mudelit HTSC toitekaablite krüogeensete toitesüsteemide jaoks.
– 2008. aastal loodi koos ettevõttega Oswald Elektromotoren GmbH (Saksamaa) tööstuslike eriajamite jaoks mõeldud ülidünaamiline vedela lämmastiku jahutusega sünkroonne HTSC elektrimootor võimsusega 500 kW ja seda testiti edukalt.
– 2009. aastal testiti MAI-s koos OAO NIIEM-iga (Istra) edukalt ülidünaamilist kõrgtemperatuurset ülijuhtelektrimootorit võimsusega 150 kW (Venemaa kaitseministeeriumi projekti Mashuki osana).
– 2010. aastal projekteeris, valmistas ja katsetas Moskva Lennuinstituut koos ettevõttega Russian Superconductor JSC 0,5 MJ salvestatud energiaga HTSC magnetsuspensioonil põhineva kineetilise energia salvestusseadme (KSE) prototüübi.
Aastatel 2011-2015 programmi "Superjuhtide tööstus" raames MAI koostöös JSC "NIIEM", MSTU-ga. Bauman, IHEP, JSC "VPO Tochmash" ja SUAI, viidi läbi järgmised tööd:
– on välja töötatud elektrimasinate HTSC ergutusmähiste mähkimise tehnoloogiad;
– Vene Föderatsioonis 50 kW võimsusega teise põlvkonna HTSC-l põhinevate mootori ja generaatori esimeste prototüüpide väljatöötamine, tootmine ja katsetamine;
– töötati välja ja valmistati tuuleelektrijaamadele mõeldud teise põlvkonna kõrgtemperatuursetel ülijuhtidel põhinev generaator võimsusega 1 MVA;
– töötati välja ja valmistati teise põlvkonna HTSC-l põhinev elektrimootor transpordiks võimsusega 200 kW;
– arendatud ja toodetud CNE magnetilise HTSC vedrustusega, mille salvestatud energia on üle 5 MJ.
Töö tulemused « Ülijuhtivate elektrimasinate ja -seadmete keskus, MAI uut tüüpi HTSC elektrimasinate, CNE ja magnetrippumissüsteemide loomise kohta on avaldatud neli monograafiat, kümneid artikleid ja patente ning need on kajastatud 9 kandidaadi- ja 3 doktoritöös. Kaasaegsetel HTSC-del põhinevate uut tüüpi elektrimasinate loomise arendajate juhtivad positsioonid on üldiselt tunnustatud nii Venemaal kui ka välismaal. Krüogeensete HTSC elektrimasinate loomise töö pälvis aastatel 2002 ja 2009 kaks Vene Föderatsiooni valitsuse auhinda teaduse ja tehnoloogia valdkonnas, samuti mitmeid diplomeid ja medaleid Venemaa ja välismaiste konverentside ja näituste eest.
Veel vähemalt poole sajandi jooksul ei muuda laevad oma välimust märgatavalt. Kuid juba praegu unistavad teadlased ja disainerid hoopis teistsugustest ülijuhtivatest laevadest, millega võrreldes tunduvad praegused, kivisöe ja nafta jõul töötavad, tavaliste propelleritega täiesti aegunud.
Uut tüüpi laevade liikumine – nagu eespool näidatud – põhineb ülijuhtivuse nähtusel, kui teatud metallid lakkavad ülimadalatel temperatuuridel elektrivoolule vastu pidama. Kui elektrivool lastakse korra läbi ülijuhtiva aine, võib see ülijuhti läbida peaaegu lõpmatult kaua. Seetõttu peavad ülijuhtivust kasutavad seadmed olema äärmiselt tõhusad. Praegu seisavad füüsikud silmitsi ülesandega leida selliseid aineid, mis läheksid ülijuhtivasse olekusse toatemperatuuril või selle lähedal. Kuid isegi enne selliste ainete loomist võib vedel lämmastik leida rakendust ülijuhtivate seadmete jahutusvedelikuna.
Ülaltoodud joonisel on kujutatud ühe kavandatava ülijuhtiva tõukejõu ristlõige. Selles peavad ülijuhtivad magnetid düüsidest suure kiirusega vett välja paiskama, tekitades sellega laeva liikumisele tõukejõu. Seda tüüpi seadmed peaksid töötades tarbima väga vähe elektrit.
Ülal on väljamõeldud laev, mis libiseb läbi vee kiirusega üle 60 miili tunnis. Tavalise kütuse asemel hakkab selline kiire sõiduk liikumiseks kasutama säästlikke ülijuhtivaid elektromagneteid. Uus laevatüüp, mida praegu arendatakse, võib ilmuda ja tööle hakata 21. sajandi alguses.
Mõned arendajad usuvad, et ülijuhtivad tõukejõuseadmed asendavad lõpuks tavapärased meretranspordi liikumise seadmed. Uues seadmes siseneb merevesi kesktorusse. Selle sees on mitu kanalit. Mõlema sees on kaks elektroodi, mille vahel on elektrivool. Kanalist väljapoole on paigaldatud ülijuhtiv mähis, mis tekitab magnetvälja. Mähise sees olevate elektri- ja magnetvälja vastasmõju põhjustab jõudu, mis surub vee kanalist välja.
Pildil:
1 - merevee sisselasketoru
2 – tõukejõu mehhanism
3 - kanal merevee läbimiseks
4 - elektrood
5 - Ülijuhtivast materjalist mähis
6 - magnetvoog
7 - merevee väljalaskeava
I koostu topelttõukurite puhul võivad elektromagnetid asuda laeva kere all. Igas sellises seadmes loovad kuus elektromagnetit magnetvälja. Iga selline elektromagnet koosneb ülijuhtivast mähist ja kahest elektroodist.
Pildil:
1. - vaakumõõnsus
2. - Vaakumkamber
3. - Vedel heelium
4. - Elektrood
5. - Soojusisolatsioonipadi
6. Veekanal.
See reegel sõrmedel näitab, millises suunas elektri- ja magnetvälja vastasmõjul sellises mähises tekkiv jõud. Vasaku nimetissõrme suuname mööda magnetvälja, keskmise sõrme - elektrivoolu suunas ja seejärel näitab avatud pöial jõudu mõju suunda.
Täiustatud õppe sihtasutus / Foto: novomoskov.ru
Sihtasutus Advanced Research Foundation ja SuperOx korraldasid seminari uue, kõrge võimsustihedusega kõrgtemperatuursetel ülijuhtidel põhineva elektrimootori väljatöötamisest.
Üritusel osalesid eksperdid ja föderaalse riigieelarvelise institutsiooni "Riiklik uurimiskeskus "Kurchatov Institute", JSC "N.I. Efremov", JSC "Kõrgtehnoloogiline uurimisinstituut. Bochvar, Rosatomi riigikorporatsioon, Venemaa ülijuhtide JSC, Moskva Lennuinstituut, United Aircraft Corporation PJSC, United Shipbuilding Corporation JSC, Venemaa kaitseministeerium, samuti Vene Föderatsiooni sõjatööstuskomisjon. Seminari raames tehti esitlus teise põlvkonna HTSC juhtme tootmise tehnoloogilisest liinist, kus demonstreeriti uusimaid Venemaa tehnoloogiaid kõrgtemperatuursete ülijuhtide loomiseks.
Mootori näidisproovi loomine on kavandatud 2018. aastasse. Tänu uuele tehnoloogiale ületab mootor elektriliste tõukejõusüsteemide traditsioonilised puudused ja saab lähtepunktiks paljudele ülijuhtivuse põhimõtetel töötavatele ajamiseadmetele. Seda tüüpi kompaktse elektrimootori loomine on järgmine samm ülijuhtivate tehnoloogiate arendamisel Venemaal.
Tehnoloogiline liin HTSC-traadi tootmiseks / Foto: fpi.gov.ru
Ülijuhtide ainulaadsed omadused – nulltakistus ja ülikõrge voolutihedus – muudavad need võtmeelemendiks läbimurdeliste elektrilahenduste rakendamisel, avades uusi võimalusi elektrienergiatööstusele, transpordisüsteemidele, meditsiinile ja kosmosele. Suure erivõimsuse ja efektiivsusega mootorid on lennunduses ja laevaehituses nõutud.
Tehnoloogia põhineb HTSC juhtmetel, millel nagu ka teistel ülijuhtivatel materjalidel puudub elektritakistus. Sellise traadi kasutamine võimaldab suhteliselt väikese ristlõikega kaablite kasutamisel saavutada väga kõrge voolutiheduse.
Praegu korraldab Täiustatud Teadusuuringute Sihtasutus avalikku konkurssi parima innovaatilise teadus-tehnilise idee või kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse põhimõtetel põhineva kõrgtehnoloogiliste elektrisüsteemide ja seadmete arendamise kõrgtehnoloogilise disaini, tehnoloogilise lahenduse väljatöötamiseks, vahendab Täiustatud Teadusuuringute Sihtasutus. .
viiteteave
Sihtasutus edasijõudnutele- riiklik fond, mille eesmärk on edendada teadusliku uurimis- ja arendustegevuse elluviimist Venemaa kaitse ja riigi julgeoleku huvides, mis on seotud kõrge riskiga saavutada kvalitatiivselt uusi sõjalisi tulemusi. tehnilistes, tehnoloogilistes ja sotsiaal-majanduslikes valdkondades, sealhulgas Vene Föderatsiooni relvajõudude moderniseerimise huvides, uuenduslike tehnoloogiate arendamise ja loomise ning kõrgtehnoloogiliste sõjaliste, eri- ja kahesuguse kasutusega toodete tootmise huvides.
Foto: fbcdn-sphotos-d-a.akamaihd.ne
Loomise ajalugu
Fondi ajalugu sai alguse 22. septembril 2010, kui Venemaa majanduse moderniseerimise ja tehnoloogilise arendamise presidendikomisjonis tehti kaitseministeeriumile ülesandeks esitada ettepanekud eraldi struktuuri loomiseks tellimis- ja korraldusvaldkonnas. läbimurde, kõrge riskitasemega teadus- ja arendustegevuse toetamine riigi kaitse ja julgeoleku huvides, Vene Föderatsiooni relvajõudude moderniseerimine, samuti kahesuguse kasutusega tehnoloogiate ja toodete loomine, sh väliskogemusi arvesse võttes. . Samal aastal asutas Voentelecom asekaitseministri Dmitri Tšuškini algatusel Vene Föderatsiooni relvajõudude huvides ettepanekute kogumise ja läbivaatamise osakonna - Kaitselahenduste büroo uurimiskeskuse.
Eraldi organisatsiooni loomise initsiatiiv sai valitsuse algatatud taas 2011. aasta lõpus, mil asepeaministriks määrati Dmitri Rogozin. Tema algatatud Rahvusliku Julgeoleku- ja Arengufondi projekti jaoks selleks ajaks kogutud ettepanekute läbivaatamine lõppes föderaalseaduse "Täiustatud teadusfondi kohta" ettevalmistamisega, mis esitati Riigiduumale (eelnõu ja sellega kaasnev föderaalseaduse dokumendid, põhjendused ja ülevaated).
Tegelikult alustas fond oma tegevust 2013. aasta alguses, mil kinnitati fondi eelarve, personal ja juhtimine. Sihtasutuse uurimissuunad kinnitati hiljem - 7. augustil 2013, kui hoolekogu koosolekul kinnitati esimesed 8 toetatud projekti.
Fondi struktuur koosneb kolmest valdkonnast:
- Infouuringud
- Füüsikalised ja tehnilised uuringud
- Keemilis-bioloogilised ja meditsiinilised uuringud
Juhised
Foto: Sergey Shilovs / Haruldased muldmetallid
Ülijuhtivuse fenomen avab ainulaadsed väljavaated elektrotehnika, energeetika ja transpordi valdkonnas. Juba täna on saamas võimalikuks see, mida varem peeti ulmeks: energia peaaegu kadudeta ülekandmine pikkadele vahemaadele, kontaktivaba kiire maapealne transport ja ülikõrgete magnetväljade tekitamine.
Ülijuhtivus tõotab tuua revolutsioonilisi muutusi erinevates valdkondades, tehes võimalikuks planeetidevahelised kosmoselennud elektriliste rakettmootorite abil, avades uusi võimalusi vertikaalse õhkutõusmisega lennukite loomiseks, aidates luua seadmeid keerukate haiguste tõhusaks diagnoosimiseks ja raviks ning palju muud. Mõnede elektrit juhtivate materjalide omadus minna ülimadalatel temperatuuridel ülijuhtivusseisundisse avastati juba ammu, kuid selle efekti praktiline rakendamine sai reaalseks alles pärast seda, kui 1986. aastal avastati kõrgtemperatuursed ülijuhid (HTSC) Nobeli füüsikaauhind 1987. aastal. Teise põlvkonna HTS-põhised juhtmed võimaldavad neid kasutada temperatuuril 77 K (vedela lämmastiku keemistemperatuur). Räägime HTSC materjalide praktilise kasutamise projekti arendamisest ja tulevikuplaanidest CJSC SuperOx asutajaga Andrei Vavilov ja tegevjuht Sergei Samoilenkov.
Vavilov Andrei Petrovitš
CJSC SuperOx direktorite nõukogu esimees, majandusdoktor
Andrei Vavilov: Projekti käivitamise ajal 2006. aastal oli peaeesmärgiks välja töötada tehnoloogiline lähenemine ja luua teise põlvkonna kõrgtemperatuurse ülijuhtiva traadi tootmine. Tänaseks on täielik tootmisahel, kõik seadmed lokaliseeritud siin, meie juures, Moskvas.
Sellise traadi tootjaid on maailmas vaid viis. Oleme ainuke HTS-traadi tootja Euroopas ja tarnime teipi sellistele ikoonilistele klientidele nagu CERN, MIT, Siemens, Cambridge'i ülikool.
Lisaks HTS-traadi väljalaskmisele töötame pidevalt läbimurdeliste HTS-seadmete kallal, mis mitte ainult ei aita kaasa tööstuse arengule, vaid loovad ka turu HTS-traadi tarbimiseks. Üks juba valminud arendustest on ülijuhtivad voolu piiravad seadmed (TOU). See olemasolevate elektrivõrkude jaoks äärmiselt oluline seade tõstab oluliselt elektrisüsteemi töökindlust, vähendab alajaamade rekonstrueerimise kulusid ja lihtsustab elektrivõrkude tööd. Nende seadmete tööpõhimõte põhineb materjali võimel minna kõrge juhtivusega olekust takistuslikku olekusse, kui see puutub kokku läviväärtusest suurema vooluga. 2017. aastal allkirjastas SuperOx lepingu esimese 220 kV HTSC voolupiirava seadme paigaldamiseks United Energy Company JSC Mnevniki alajaama Moskvas. Neid töid toetab Tööstuse Arengu Fond. Teine suund on ülijuhtiva elektrimootori loomine erinevateks rakendusteks. Saime Täiustatud Uurimise Sihtasutuselt 500 kW võimsusega elektrimootori arendamiseks toetuse. Selle töö tulemusena saab HTSC elektrimootoreid kohandada väga erinevateks rakendusteks: lennundus, laevaehitus, raketitehnoloogia. Nende mootorite peamine eelis on see, et nad toodavad sama suuruse ja kaaluga oluliselt rohkem võimsust, mitu korda rohkem kui traditsioonilised mootorid. Nende efektiivsus on erinevatel võimsustel võrdselt kõrge. See annab suurepärased võimalused töö efektiivsuse optimeerimiseks tipprežiimides (näiteks lennuki õhkutõusmisel), vähendab kütusekulu ning parandab kaalu- ja suurusenäitajaid. Ka selles suunas tegutsevad Airbus ja NASA arvutasid, et perspektiivikas elektrilennuk kulutaks praegusest 4 korda vähem kütust. Ja ilma ülijuhtivuseta need elektrisüsteemid hakkama ei saa.
RZ: Kuidas ettevõtte tegevus selles suunas areneb?
AB: Tulevase elektri- või hübriidlennuki disainis kasutatakse HTS-kaablit, mille esimene prototüüp on hetkel SuperOxis loomisel. Elektrilennuki arendamine hõlmab hajutatud tõukejõusüsteemi kasutamist, selleks ei ole ülijuhtivust kasutamata elektrimootorid piisavalt tõhusad. HTSC elektrimootorite kaalu ja suuruse parameetrite ning võimsuse paranemine võimaldas alustada vertikaalse õhkutõusmisega lennukite, näiteks kallutatava tüüpi lennukite väljatöötamist. Teine üha levinum nimi on "lennutakso". Nüüd on kogu Silicon Valley hädas selliste lennukite loomisega ja me töötame juba konkreetse mudeli kallal. Teine projekt on elektrilise rakettmootori (EP) loomine, kasutades HTSC materjale. Elektriline rakettmootor erineb põletatud kütust ja oksüdeerijat kasutavatest keemiamootoritest töövedeliku äärmiselt väikese kulu poolest. Madala võimsusega elektrilisi tõukemootoreid on satelliitidel pikka aega kasutatud nende asukoha või orbiidi korrigeerimiseks. Tahame selliseid mootoreid meie ülijuhtide abil ühe või kahe suurusjärgu võrra võimsamaks muuta. Kui nüüd saab neid mootoreid kasutada vaid orbiidi korrigeerimiseks, siis meie HTSC ERE abil on võimalik luua kosmosepuksiir, mis suudab lasti orbiitide vahel liigutada, näiteks referentsorbiidilt geostatsionaarsele. See tehnoloogia võimaldab lennata Maa ja Kuu vahel ning edasi kuni süvakosmosesse. Kaubavedu orbiitide vahel on tulevik, millest kõik unistavad, kuid seni pole keegi ligi pääseda saanud. Uutel materjalidel on suurepärane võimalus homme unistus teoks teha.
RZ: Millises staadiumis on praegu elektriraketi tõukejõu arendamine?
AB: Oleme lõpetanud projekteerimise esimese etapi. Lähikuudel on kavas katsetada EJE üksikuid komponente koos järgneva kohandamisega kosmoses kasutamiseks. Loodame, et 3-4 aasta pärast lendab kosmosesse esimene meie elektrilise rakettmootoriga aparaat, mis põhineb HTSC magnetitel.
Samoilenkov Sergei Vladimirovitš
CJSC SuperOx peadirektor, keemiateaduste kandidaat
RZ: Millistes muudes valdkondades kasutatakse üldiselt kõrge temperatuuriga ülijuhte ja eriti teie ettevõtte tooteid?
Sergei Samoilenkov: Kuigi HTSC-d avastati 30 aastat tagasi, jõudsid kasutatavad materjalid juhtmete kujul turule alles kümme aastat tagasi, samal ajal kui meie firma asutati. Neid saab kasutada kõikjal, kus edastatakse suuri voolusid või tekitatakse suuri magnetvälju, kus on piirangud seadmete kaalule või mõõtmetele, kus on vaja kadusid vähendada jne. Esiteks on HTSC juhtmed leidnud oma rakenduse elektrienergiatööstuses. Ülijuhtivus on ainus viis osakeste kiirendite ja põrkurite ehitamiseks. Kõik praegu olemasolevad suured kiirendid on valmistatud madala temperatuuriga ülijuhtidest. Teise põlvkonna HTSC materjalid võimaldavad tõsta olemasolevate seadmete efektiivsust, suurendada magnetvälja ja sillutada teed uutele avastustele, uute osakeste ja füüsikaliste nähtuste avastamiseks. Seetõttu tunneb meie toodete vastu huvi eelkõige CERN.
RZ: Rääkige meile, kuidas te CERNiga koostööd teete?
SS: Oleme ülijuhtide ja ainulaadsete HTS-komponentide tarnija, konkureerides nelja välisfirmaga. Võidame konkurentsis mitte tänu madalale hinnale - meie hind on sageli kõrgem kui konkurentidel, vaid tänu kõrgele kvaliteedile ja toote kohandamise tasemele. Tarnime CERNile spetsiaalseid kaableid, mis on valmistatud arvukatest kompaktselt volditud lamedast lindist. Nüüd tehakse sellisest kaablist magnetilisi sisetükke, mis plaanitakse paigaldada Suure põrkeseadme sisse, et seal magnetvälja suurendada. Tulevikus muudab see kiirendid väiksemaks. HTS-traadid on ainsad materjalid, mis on võimelised töötama ülitugevates väljades. Rekordilised HTSC magnetid lähenevad 40 T piirile. Need on fantastilised väärtused magnetvälja jaoks, mis mitte impulss-, vaid konstantses režiimis on inimkonnale kättesaadavaks saanud alles nüüd, viimase kahe aasta jooksul.
HTS voolu piirav seade
PLD-seadmed HTSC-kihi saamiseks impulsslasersadestamise teel
RZ: Kuidas saab teie elektrilisi rakettmootoreid kosmosetehnoloogias kasutada?
SS: Oluline märkus: see ei tähenda orbiidile laskmise esimest etappi, mitte maakera gravitatsiooni ületamist, siin on kõik endiselt standardne. Me räägime mootoritest, millega on võimalik anda objektidele ruumis liikumiseks märkimisväärne hoog. Praegu on üks olulisemaid probleeme, mida pole veel lahendatud ja mida meie mootor aitab lahendada: kuidas on võimalik väikese kütusekoguse ehk tonnide asemel kilogramme kasutades liikuda vastuvõetava kiirusega kosmoses. kiirust. Näiteks Hubble'i teleskoop vajab nüüd remonti ja hooldust. Inimkonnal oli ainus viis selleni lennata (ja see on orbiidil umbes 570 km kaugusel) - kosmosesüstik "Shuttle". Pärast selle programmi sulgemist ei saa sinna lennata keegi, ei Roskosmos, Hiina, NASA, SpaceX ega Jaapan. See on võimatu. Ehitame mootorit, mis võimaldaks luua selle ülesandega toimetuleva puksiiri. Loodav EJE suudab palju kordi sisse ja välja lülituda, töötada üle 10 aasta ja omab piisavalt võimsust 5-6 tonni kaaluvate raskete satelliitide liigutamiseks.
AB: Kui arvestada ideid lendudest süvakosmosesse, võib see tänu sellele tehnoloogiale reaalsuseks saada. Kõik filmid, mida me vaatame, kõik fantastilised laevad, mis seal väljas on, lendavad kõik sellel põhimõttel ja keegi ei lenda keemiamootoriga.
RZ: Kas saaksite meile rääkida ülijuhtivate materjalide erirakendustest?
SS: Kõige suurejoonelisem on ülijuhtivuse mõjul tekkiv magnetlevitatsioon, kui ülijuht võib leviteeruda, lennata üle magnetlehe. Meil, SuperOxil, on isegi platvorm, mis talub kuni kakssada kilogrammi raskust. Jaapanis katsetatakse juba magnetlevitatsioonirongi, mis suudab saavutada kiiruse kuni 600 km/h. Lennukite, hävitajate startimine – neid saab kiirendada elektromagnetilise katapuldi abil. Kõiki sõjavarustuse elektrilisi ja magnetilisi komponente saab mitmekordistada. Laeva toitekaablisüsteemi kaalu saab vähendada 10 korda! Ameeriklased tegelevad sellega nüüd aktiivselt, tehes HTSC-st spetsiaalseid magnetsilmuseid, mis ümbritsevad sõjalaeva igas suunas, et muuta see magnettuvastussüsteemidele nähtamatuks ja magnetmiinidele puutumatuks. Laev demagnetiseeritakse sageli seisvatel alustel, kuid kui see liigub märkimisväärseid vahemaid ja näiteks ületab ekvaatori, muutub see taas kergesti jälgitavaks ja haavatavaks. Seetõttu on oluline luua laeva sisse integreeritud aktiivsed degauseerimissüsteemid, mis on võimelised laeva liikumisel kohanema.
Üks kuuest IBAD kambrist – installatsioon puhverkihtide tootmiseks, kasutades tekstureerimistehnoloogiat abistatavas ioonkiires
RZ: Miks me vajame ülikõrgeid magnetvälju?
SS: Esiteks kasutatakse neid uurimis- ja analüütilistes instrumentides ainete uurimiseks, peenkeemiliste analüüside läbiviimiseks, näiteks tuumamagnetresonantsi meetodil. Teiseks kiirendustehnika, millest eespool rääkisime. Samuti on rakendusülesanded, osaliselt kaitselise tähtsusega, näiteks hüperhelirelvad, raadioside naasvate kosmoselaevadega, plasmapilves liikuvate juhitavate rakettidega. Kõigil neil juhtudel, mida suurem on väli, seda parem on loodava lahenduse kvaliteet, tehnilised omadused ja sageli on see sõltuvus mittelineaarne. Skaala jaoks: püsimagnetid suudavad tekitada kuni 1,5 T välja, võimsaimad madalatemperatuursetel ülijuhtidel põhinevad magnetid, mida kasutatakse kiirendites, põrkeseadmetes ja tomograafides, on umbes 20 T väljaga ning tänapäevaste HTSC tehnoloogiatega väli kuni 40 T ja see pole piir.
RZ: Millised on teie ambitsioonid järgmisteks aastateks?
AB: HTSC tehnoloogiate abil soovime, et elektrilise rakettmootoriga kosmosepuksiirid avaksid kosmoseuuringutes uue lehekülje, vertikaalselt õhkutõusvatest lennukitest saaks uut tüüpi avalik ja mugav lennutransport üle kogu maailma ning lennuvälja arhitektuur. elektrienergia kompleks muutub lihtsaks, kaasaegseks ja töökindlaks. Püüame hõivata selles ühe keskse positsiooni, kui mitte peamise. Tee saab valdab kõndija - lähtume sellest. SuperOx on unikaalse toote väljatöötamisest kuni uutesse läbimurdeprojektidesse integreerimiseni jõudnud juba kaugele ning plaanime seda jätkata.
TEKST: "Haruldased muldmetallid" FOTO: Sergey Shilovs
viide
SuperOxi asutas 2006. aastal Andrey Vavilov. Täna on ettevõte ainus teise põlvkonna kõrgtemperatuurse ülijuhtiva (HTSC) traadi tootja Venemaal ja Euroopas. Ülijuhid on ainulaadsed materjalid, millel on null elektritakistus ja mis on võimelised juhtima erakordselt suure tihedusega voolu. Oksiid-HTS-materjale kasutavad seadmed võivad muuta elektrienergia tööstuse ja transpordi nägu, avada tee tõhusamate seadmete loomisele teadusuuringute ja erirakenduste jaoks. Ettevõtte intellektuaalne kapital põhineb enam kui 350-aastasel kombineeritud kogemusel keerukatest oksiididest õhukeste katete saamise tehnoloogiate ja uute ülijuhtivate materjalide omaduste uurimise valdkonnas. Tänaseks tarnitakse ettevõtte HTSC tooteid 15 riiki üle maailma. 2011. aastal avati Jaapanis divisjon - SuperOx Japan LLC. Tõhus koostöö kahe ettevõtte vahel oli projekti kiire edu võti.
Loe SuperOxi firmat käsitleva materjali täisversiooni ajakirja Rare Earths järgmisest numbrist.
Projekt "Innovatiivne energeetika/ülijuhtidetööstus"Ekspertide prognoosi kohaselt (WORLD ENERGY OUTLOOK FACCTSHEET; IEA) maailma elektritarbimine perioodil 2011-2035. kasvab rohkem kui 2/3.Vene Föderatsiooni energiasüsteemi elektrikaod on Venemaa energeetikaministeeriumi andmetel hinnanguliselt 13-15%. Riigikorporatsiooni "Rosatom" projekt "Innovatiivne energeetika / ülijuhtidetööstus" on suunatud uuendusliku tehnilise baasi loomisele riigi majanduse energiatõhususe parandamiseks.
Projekt kiideti heaks Venemaa Föderatsiooni presidendi juures asuva komisjoni raames Venemaa majanduse moderniseerimiseks ja tehnoloogiliseks arendamiseks prioriteetses valdkonnas "Energiatõhusus" 2009. aasta oktoobris tähtajaga 2010-2015.
Teise põlvkonna kõrgtemperatuuriliste ülijuhtide (HTSC-2) kodumaiste arenduste mahajäämuse kõrvaldamiseks ostis Rosatom State Corporation selliste ülijuhtide tootmise tehnoloogia Saksa ettevõttelt Bruker HTS. Ülesandeks seati luua 2015. aastaks innovaatilise ülijuhtiva tööstuse alused, töötades välja hulga kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse mõjul põhinevaid prototüüpseadmeid, et panna alus teise põlvkonna kõrgtemperatuursete ülijuhtide tööstuslikule tootmisele.
Töös osales üle 20 teadus-, tööstus- ja disainiorganisatsiooni, sh: IAE, NIIEFA, IHEP, FIAN, IMET, KhPTI, IMF SB RAS, VEI, VNIINM, VNIIKP, NIITFA, Kristall, UMP, CMP, Kirskabel , Elektrosila , MEPhI, MAI, GUAP, MISiS jne.
Joon.1 Projekti etapid 2010-2015 [HTSC-2, Pantsyrny V.I., Avdienko A.A. põhinevate ülijuhtivate tehnoloogiate arendamine ettevõttes Rosatom. JSC "Vene ülijuht", V ülevenemaaline teadus- ja tootmiskompleks "Riikliku innovatsioonisüsteemi moodustamise põhimõtted ja mehhanismid", Dubna 2014]
Ülijuhtiva tööstuse projekti raames püstitati järgmised ülesanded:
Töötada välja kodumaised tehnoloogiad kõrgtemperatuursete ülijuhtide (HTSC) tootmiseks impulsslaseriga ablatsiooni meetodil,
HTSC-l põhinevate ülijuhtivate seadmete prototüüpide väljatöötamine energiatarbeks:
Takist ja induktiivset tüüpi ülijuhtivad lühisvoolu piirajad alalis- ja vahelduvvooluvõrkudele võimsusega vahemikus 5 kuni 35 MW;
200 kW mootor,
1 MW generaator,
1000 kVA trafo,
Induktiivne energiasalvesti energiamahutavusega 1 MJ,
kineetilise energia salvestamise seade, mille energiamaht on üle 5 MJ,
Vool viib krüogeensete süsteemideni, mille voolutugevus on 15 kA.
Tulevikus kaalutakse kõrgtemperatuursetel ülijuhtidel põhinevate elektriseadmete tootmise loomist. Kommertsenergeetika seisukohalt on võtmevaldkondadeks ülijuhtide kasutamine kaablite ja jõuelektritehnika ning energiasalvestite (induktiivsed ja kineetilised salvestusseadmed) loomiseks.
Ülijuhtivad kaablid viivad üliväikeste energiakadude ja suurte voolude tõttu võrgumajanduse energiatõhususe uuele tasemele. Elektrienergia tootmise ja ekspordi rajatiste paigutamiseks on tekkinud põhimõtteliselt uued tingimused. Ülijuhtivuse mõjul põhinevad elektriseadmed ja elektrijaamad parandavad tõhusust raudtee- ja meretranspordis, energeetikas, nafta- ja gaasitööstuses, tootmises jne. Ülijuhtivuse süsteemirakendused hõlmavad ülijuhtivaid magnetseadmeid; krüogeensed hoidlad; kosmoseplatvormid; kineetilise energia salvestamise seadmed. Magnetlevitatsiooni (MagLev) efekti kasutavad rongid võivad saavutada kiiruse kuni 1000 km/h. Teine ülijuhtivuse rakendusala võiks olla ülijuhtiv kvantarvuti.
JSC "Russian Superconductor" juhi sõnul V.I.Pantsyrny, ülijuhtide kasutamine võimaldab Venemaal elektrikadusid vähendades oluliselt kokku hoida.
Taust
Tuumateadlased on ülijuhtivate materjalide loomise tehnoloogia kallal töötanud pikka aega. Alates 1970. aastatest hakkasid tehnilisi ülijuhte välja töötama Kurtšatovi Instituut ja Instituut. A.A. Bochvar. Alates 1960. aastatest Tehnilise ülijuhtivuse probleemidega tegeleb V.I. nimeline NIIEFA. D. V. Efremov, kelle põhirõhk oli termotuumareaktorite magnetsüsteemide loomisel. Välja töötatud VNIINMe neid. Tööstuslikus tootmises võeti kasutusele A. A. Bochvara komposiitülijuhtivate materjalide tehnoloogiad. NbTi ülijuhtival sulamil ja Nb 3 Sn intermetallilisel ühendil põhinevaid madala temperatuuriga ülijuhte (LTSC), mis töötavad vedela heeliumi temperatuuril 4,2 K (-268,9 °C), kasutati NSV Liidus maailma esimeste suurte tokamakide (toroidaalsete) loomiseks. magnetpoolidega kambrid ) T-7 ja T-15 ülijuhtivate magnetsüsteemidega.
40-aastane kogemus komposiit-LTSC valdkonnas võimaldas Venemaal osaleda rahvusvahelises projektis termotuumareaktori ITER loomiseks. Euroopa, USA ja Jaapani juhtivate ettevõtete kõrval on Venemaast saanud üks ülijuhtide tootjaid. ITERi magnetsüsteemi ülijuhtivate materjalide tarnimise tagamiseks korraldati Tšepetski mehaanilise tehase (ChMZ) baasil LTSC tööstuslik tootmine võimsusega 60 tonni ülijuhtivaid materjale aastas. Alates tootmise algusest 2009. aastal on ITERi jaoks toodetud ~99 tonni ülijuhtivaid materjale Nb 3 Sn baasil ja ~125 tonni Nb-Ti baasil.
Teine oluline madalatemperatuuriliste ülijuhtide tarbija on meditsiiniliste magnetresonantstomograafia skannerite tootmine.
1990. aastatel algas ülijuhtivuse arengu uus etapp. Šveitsi IBM uurimislabori teadlased A. Müller ja J. Bednorz aastatel 1985-1986. sünteesitud metalloksiidkeraamika – lantaani, baariumi, vase ja hapniku ühend (La-Ba-Cu-O ) , mis näitas ülijuhtivust temperatuuril 35 K. Maailm oli uute ülijuhtide otsimise palavikus. Kriitiline temperatuur tõusis 45 K-lt La-Sr-Cu-O ühendi korral 52 K-ni La-Ba-Cu-O (rõhu all). 1987. aasta veebruaris sünteesis ameeriklane Paul Chu ühendi YBa 2 Cu 3 O 7 , mille kriitiline temperatuur ulatus 93K-ni, olles ületanud "lämmastikupiiri". Kõrgtemperatuursete ülijuhtide (HTSC) avastamine tõstis ülijuhtivuse temperatuuripiiri vedela lämmastiku keemistemperatuurini (77 K), mis on palju odavam krüogeenne vedelik, millel on ka trafoõliga võrreldavad kõrged dielektrilised omadused. 1. jaanuari 2006 seisuga kuulus rekord keraamilisele ühendile Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), mille kriitiline temperatuur on 138 K. Rõhul 400 kbar on sama ühend ülijuht. temperatuuril kuni 166 KJ pälvisid Bednorz ja K. Müller 1987. aastal Nobeli füüsikaauhinna kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse (HTSC) avastamise eest.
Kaubandusliku tootena ilmus HTSC lint maailmaturule 2000. aastate lõpus. Loodi HTSC juhtmete ja kaablite näidised; Ülijuhtiva keraamika baasil valmistati HTSC mootorid, generaatorid, voolupiirajad, infosüsteemid, antennimassiivid, ülijuhtivad laagrid ja muud tooted. 2004. aastal loodi kõikidest elektriseadmetest ülijuhtivad prototüübid.
Ameerika ettevõtte SuperPower toodetud HTS-2 lintidel põhinevad takistustüüpi voolupiirajad ühendati Californias asuva Silicon Valley Poweri võrku 2013. aastal. Veel üks voolupiiraja ühendati New Yorgi osariigis Central Hudsoni võrku 2014. aasta juunis. Saksamaal Essenis käivitati 2014. aasta septembris maailma esimene 1 km pikkune tööstuslik ülijuhtkaabel, mis ühendab kahte linnaalajaama. AmpaCity projekti 10 000 V kolmefaasiline kontsentriline kaabel oli mõeldud 40 MW võimsuse edastamiseks.
Projekti "Ülijuhtidetööstus" ülesanded
Projekti elluviimise emaettevõtte kinnitas riiklik korporatsioon Rosatom, tööde koordineerimine usaldati JSC Russian Superconductorile, teaduslikuks juhtimiseks oli riiklik uurimiskeskus Kurtšatovi instituut.
Selle programmi number 1 oli "tehnoloogiate arendamine ja teise põlvkonna kõrge temperatuuriga ülijuhtide (HTSC-2) ja puistekeraamika katsetootmise loomine HTSC tootmiseks." Peatöövõtjatena tegutsesid NIIEFA JSC ja NIITFA JSC, HTSP-2 pooltoodete tehnoloogiate arendajatena VNIINM JSC ja GIREDMET JSC.
Tööstuses toodetakse kahte tüüpi kõrgel temperatuuril ülijuhtivusel põhinevaid materjale - 1. ja 2. põlvkonna HTSC materjale. 1. põlvkonna HTSC-d on lindid, mis koosnevad hõbemaatriksisse siirdatud vismutoksiidi ülijuhtivatest filamentidest. Nende puuduseks on suur soojuse suurenemine ja mehaaniline haprus, samuti hõbemaatriksist tingitud kõrge hind.
Teise põlvkonna HTS-lindid on kihilise struktuuriga. Alusele kantakse järjestikku puhverkiht metallpinna kaitseks, HTS kiht ja kaitsekiht – metalllint. Teise põlvkonna HTSC lintidel on HTSC-1 lintidega võrreldes mitmeid eeliseid:
Madalam hind (odavamad materjalid);
Suurem kriitiline voolutihedus ja väiksemad vahelduvvoolukaod;
Suurem mehaaniline tugevus;
Oskus töötada tugevates magnetväljades.
Saksa firmalt Brucker HTS ostetud HTSC-2 lintide tootmise piloottehase baasil paigaldati riiklikusse uurimiskeskusesse Kurchatov katseliin 4 mm laiuste ja 100 m pikkuste HTSC-2 lintide tootmiseks. Instituut (joon. 2).
Rosatomi kõrgtemperatuursete ülijuhtivate materjalide katsetootmine korraldati kolmes kohas:
JSC VNIINM toodab lint-substraati, millele kantakse NIITFA-s orienteeritud kiht. Samas kohas töötas VNIINM välja tehnoloogia igat tüüpi sihtmärkide valmistamiseks puhvri ja ülijuhtivate kihtide sadestamiseks;
NIITFA JSC-l on katsetootmisrajatis kuni 1000 m pikkuste aluslintide jaoks, millel on orienteeritud ioonpihustusel põhinev orienteeritud puhverkate;
JSC NIIEFA-l on kuni 1000 m pikkuste HTSC-2 lintide katsetootmiskoht (joonis 3), kus ülejäänud kihid kantakse lindile lasersadestamise teel, sealhulgas ülijuhtiva oksiidkeraamika kiht.
Pika pikkusega HTSC-2 katsetootmine NIIEFA-s ja NIITFA-s algas 2015. aastal. See strateegia võimaldas luua Venemaal maailmatasemel kõrgtemperatuursete ülijuhtide materjaliteaduse uurimiskeskus, et arendada ja toota ainulaadseid tööstusliku mastaabiga seadmeid. seadmed HTSC-2 lintjuhtmete tootmiseks. Töötati välja kodumaised tehnoloogiad ja loodi katseplatsid vajaliku tooraine tootmiseks. Russian Superconductor JSC alustas hulgi HTSC-de katsetootmist.
Joonis 2 Liin HTSC-2 valmistamiseks pikkusega kuni 100 m
HTSP-2 tööstuslik tootmine on kavas luua ChMP baasil. Tšepetski mehaanikatehasel on kõrge tehnoloogiline potentsiaal teadusmahukate projektide elluviimiseks erinevates rakendusvaldkondades, sealhulgas kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse valdkonnas, seetõttu usaldati 2012. aastal TVEL OJSC ja ChMP OJSC algandmete kogumine ja tehniline tehniline eeltöö. ja HTSC-2 uue tööstusliku tootmise loomise majanduslik hinnang.
HTSC-tehnoloogiate edukaks kommertsialiseerimiseks tuleks välja töötada erinevad elektriseadmed (mootorid ja generaatorid, voolupiirajad, energiasalvestid jne), millest tarbijad on huvitatud, kuna tulevikus vähendab nende kasutamine kilovatti maksumust. tund tarbija jaoks.
Võrreldes sama suurusega vasktraadiga saab HTS-kaablit
5 korda rohkem energiat üle kanda, hoolimata jahutussüsteemi olemasolust.
Ülijuhtivate seadmete lisakulud kompenseerib nende suurenenud energiatõhusus. 300 MW võimsuse ülekandmiseks
jaotuspinge 10-20 kV, vaja on 36 tavalist kaablit, mis on paigaldatud kuni 8 m laiusesse kaablikanalisse Sama võimsust saab edastada ühe HTSC kaabliga, mille läbimõõt on 11 cm, arvestades jahutussüsteem.
HTSC-kaabli kasutamise näitel Moskva võrgumajanduses näitas Russian Superconductor, et need lahendused on 20% odavamad kui traditsioonilised tehnoloogiad. Föderaalse võrguettevõtte teadus- ja tehnikakeskus (STC FGC) on välja töötanud Moskva, Peterburi ja teiste Venemaa suurlinnade jaoks mõeldud elektriülekandeliini uue formaadi - kõrgtemperatuurilisel ülijuhtivusel põhineva kaabel-alalisvoolu ülekandeliini (HTSC). -CLPT). HTSC-CLPT-d kasutatakse juhtudel, kui on vaja jaotada suuri madalpinge (10 kV või 20 kV) elektrivoogu otse koostootmisjaamade generaatori pingesiinidest või toitealajaamade siinidest. Samas ei hõlma skeem olulise võimsuse ülekandmiseks vajalikke tõusu- ja alandustrafosid (näiteks 20/110 kV ja 110/20 kV) ning linnaruumi hõivavate õhuliinide rajamist. on välistatud või asendatud. HTSC kaablid võimaldavad oluliselt vähendada kadusid elektrivõrkudes, ülijuhtivad voolu piirajad - tõsta oluliselt toiteallika töökindlust.
Joonis 3 Seadmed kuni 1000 m pikkuse HTSC-2 katsetootmiseks lasersadestamise (NIIEFA) põhjal
Teine paljulubav sektor ülijuhtide kasutamisel on transport. 2014. aastal sõlmis Rosatom Venemaa Raudteega teadusliku ja tehnilise koostöö lepingu, mis hõlmab HTSC seadmete loomist:
Vedurite elektripaigaldised,
veoalajaamade voolupiirajad,
Magnetlevitatsiooni efekti kasutamine kuulrongide jaoks.
Linnatranspordis kaalutakse ülijuhtivate mootorite ja energiasalvestite kasutamist elektribussides.
Käimas on töö HTSC kasutamise kallal laevaehituses elektriliste tõukejõusüsteemide jaoks ja lennunduses täiselektriliste õhusõidukite loomisel.
Taastuvatel energiaallikatel (RES) kasutatava uuendusliku energia jaoks on perspektiivikas luua ülijuhtivad generaatorid suure võimsusega tuuleturbiinidele (tuulikutele), mis võimaldab oluliselt vähendada paigaldiste kaalu ja mõõtmeid võrreldes traditsiooniliste generaatoritega. Parim variant on luua autonoomseid komplekse – ülijuhtiva generaatori ja energiasalvestiga tuulikuid.
Russian Superconductori arendusdirektori V.I.Pantsõrnõi sõnul kasvab HTSC turu maht 2015. aasta 1,8 miljardilt dollarilt 2022. aastaks 5,8 miljardile. Aastaks 2040 ulatub HTSC-tehnoloogiate nõudluse kogumaht 6-17 miljardini. dollareid.
Ülijuhtivate elektrimasinate eelised
Ülijuhtivate elektrimasinate kõikidele eelistele on ühised järgmised:
Vähendatud kaod ja suurenenud efektiivsus (kuni 0,5-1,0%),
Paremad kaalu- ja suuruseomadused (2-3 korda),
vähendatud reaktiivsuse väärtused,
Tootmisprotsessis vähenenud energiatarbimine (kuni 30%),
aeglustada elektriisolatsiooni vananemisprotsessi,
Keskkonnaohutus.
HTSC-l põhinevad elektriseadmed
NIITFA - SOT-is töötati välja 3,5/10/35 kV võrkude lühisevoolu piiraja (SOT) prototüüp, mis põhineb takistuslikul HTSC-2-l konstantse pinge 3,5 kV jaoks, nimivooluga 2 kA. Tehnilise Füüsika ja Automatiseerimise Instituudi piloottoodang on võimeline tootma 10-15 SOT aastas. Vastavalt katsetulemustele muudetud prototüübi COT hakkab kasutama raudtee veojõu toitesüsteemis.
Alternatiivsete energiaallikate kasutuselevõtt nõuab erilahendusi nende kaasamiseks olemasolevatesse energiavõrkudesse, sealhulgas energia salvestamise küsimus. Ülijuhtivaid energiasalvestiid kasutatakse ka katkematute toiteallikate loomisel ja transpordi elektrisüsteemide elementidena. Ülijuhtiva magnetsuspensiooniga kineetilise energia salvestusseadme (KSE) väljatöötamisega tegeles Moskva Lennuinstituut. HTSC magnetvedrustusega 5 MJ energiamahuga CNE prototüüpi testiti 2015. aasta detsembris JSC NIIEM (Istra) katsestendil.
MAI on välja töötanud ka ülijuhtiva elektrimootori transpordisüsteemide jaoks. Elektriseadmete kaalu ja mõõtmete parameetrite vähendamine tänu HTSC materjalide kasutamisele on väga oluline eelis nende kasutamisel transpordis (lennundus, meri, raudtee, maantee). Joonisel 4 on kujutatud 200 kW võimsusega sünkroonse HTSC elektrimootori prototüüp, mille rootoril on HTSC-2 ergutusmähised ja pöörlev krüostaadid. HTSC-2 magnetsüsteemi töötemperatuur on 77K.
Joon.4 HTSC elektrimootor võimsusega 200 kW (MAI)
Tuuleenergia areng kogub hoogu kogu maailmas, sealhulgas Venemaal, taastuvenergiaallikatel (RES) töötavate objektide rajamise konkursi tulemuste põhjal sai VetroOGK (osa Rosatom State Corporationist). õigus rajada 15 tuuleparki installeeritud koguvõimsusega 360 MW. Tuuletootmisrajatised on kavas ehitada Krasnodari territooriumile ja Adõgeasse, kaks rajatist - Kurgani piirkonda. Tuuleenergia järele on nõudlus ka Arktika ranniku majandusrajatiste järele. Ettevõtte Electrosphere divisjon Windpark Engineering kavatses Peterburi tammi territooriumile rajada 30 tuulikust koosneva tuulepargi. Tuulepargi koguvõimsus pidi olema 100 MW. Praegu on WPP projekti staadiumis.
KL Kovaljovi juhitud MAI spetsialistide meeskond (koostöös NIIEM, JSCB "Yakor", GUAP, NIF "Cryomagnet" töötajatega) lõi kompaktse HTSC sünkroongeneraatori tuuleturbiinidele võimsusega 1 MVA ergutusmähistega HTSC-2 rootoril ja pöörleval krüostaadil. HTSC-2 süsteemi töötemperatuur on 77K.
Iga 6 MW võimsusega generaatori energiakadude vähenemine on 170 kW. Töötades 6000 tundi aastas, on sääst 3 miljonit rubla aastas iga generaatori kohta. Võrdse võimsusega ülijuhtivate generaatorite kaal ja mõõtmed on 3-4 korda väiksemad kui traditsioonilistel.
Peterburi "NIIEFA neid. D.V.Efremov” lõi HTSC-2 magnetsüsteemiga induktiivse energiasalvestusseadme (SPIN) energiaintensiivsusega 1 MJ ja võimsusega 1 MVA (joon. 5).
Induktiivset tüüpi ülijuhtivad salvestusseadmed salvestavad energiat magnetvälja kujul solenoid- või toroidaalsetes magnetsüsteemides. Ja need võimaldavad salvestatud energiat kiiresti välja võtta, mis on spetsiaalsete impulsssüsteemide jaoks oluline.
Alates 1970. aastatest on NIIEFA-s välja töötatud SPIN-i lülitustoiteallikatena seadmetele võimsusega 10 11 -10 12 W vooludel 1-6 MA impulsi kestusega 1-100 ms. Kaasaegsed tehnoloogiad on võimaldanud luua solenoide salvestatud energiaga 12-17 MJ. Kohalikes võrkudes kasutamiseks on võimalik toota kuni 30 MJ salvestatud energiaga vooluallikaid võimsusega 1-5 MW .
Joon.5 HTSC SPIN 1 MJ
Huvitav suund ülijuhtimise tehnoloogias on levitatsiooniefekti kasutamine kiirel transpordil. Seda teevad Hiina, Jaapan. Pärast tugevat maavärinat, kus Osaka katserõnga monorelss sai väga tugevalt kannatada, eelistasid jaapanlased transporti HTSC vedrustusel. HTSC-ga riputatud rong ise on elektrimasin ja rongitee on tegelikult staatorimähis. Mis sai Jaapanis pärast maavärinat eksperimentaalrõngas kahjustatud, sai kiiresti tasandatud.
Rahvusvahelise foorumi "ATOMEXPO 2017" näituseekspositsioonil (Moskva, juuni 2017) esitleti tuumatööstuse innovaatiliste toodete ja tehnoloogiate hulgas külastajatele vähendatud energiatarbimisega magnetlevitatsioonisüsteemide töötavat mudelit, mis toimib põhimõttel. ülijuhtivus, mille on loonud ka JSC "NIIEFA" spetsialistid.
Projekti "Superjuhtide tööstus" energeetikainstituut raames. G.M. Krzhizhanovsky (JSC ENIN) töötas välja ülijuhtiva trafo prototüübi.
Isolatsiooni vananemine puudub; lühiajalise topeltülekoormuse võimalus; võimalus saada lühispinge madalam väärtus; väiksem kaal ja mõõtmed võrreldes tavaliste trafodega on HTS-materjalidel põhinevate jõutrafode ilmsed eelised. HTSC trafode koormuskaod nimivoolul on 80-90% väiksemad, kogumass alla ~ 2 korra, mõõtmed 2-3 korda väiksemad, mis võimaldab selliseid trafosid paigaldada transpordi elektrisüsteemidesse.
Loodi kolmefaasilise HTSC trafo prototüüp võimsusega 1 MVA, pingeklass 10/0,4 kV HTSC-2 mähistega ja amorfsest terasest magnetahelaga. HTSC-2 mähiste töötemperatuur on 77K.
HTS-trafod pakuvad suurimat huvi riikide jaoks, kus on tunnelitega raudteetranspordisüsteem, st suurusepiirang (Korea, Jaapan, Šveits).
Tuumaenergeetika arengu üheks paljutõotavaks suunaks on magnetilise plasmasulguriga termotuumareaktorid, mille magnetsüsteemis kasutatakse nii madala temperatuuriga kui ka kõrge temperatuuriga ülijuhte. HTSC materjalidel põhinevaid voolujuhtmeid kasutatakse voolujuhtmetena, mis on ette nähtud kümnete kA voolude läbimiseks.
HTSC voolujuhtmed LTSC süsteemidesse töötas välja Kurchatovi NBICSi meeskond V.E.Keilini (26.02.1933 - 24.11.2014) juhtimisel. Viimastel aastatel osales VE Keilin aktiivselt HTSC tööstuse seadmete loomisel: võimsad kõrge temperatuuriga voolujuhtmed, ülijuhtivad elektriliinid, Dubnas asuva NICA põrkeseadme voolujuhtmed. Tema tööd ülijuhtivate magnetite ja kõrge vooluga voolujuhtmete krüostaatide alal tunnustati laialdaselt ja seda peetakse siiani klassikaks.
Loodud on mitut tüüpi HTSC voolujuhtmeid:
Kiirenditehnoloogia jaoks
Fusiooniseadmete jaoks
Elektritoite otstarve (HTSC-kaabli ühendusmuhvid),
Kõrge vooluga painduvad HTSC-2 voolujuhtmed.
SPbSUAI spetsialistide meeskond L.I. Chubraeva juhtimisel loodi ujuva tuumaelektrijaama kõrgtemperatuursete ülijuhtivusseadmete kompleksi kompaktne projekt, mille kiitis heaks Rosatomi juhtkond. Projekti väljatöötamisel võeti arvesse ka FNPP asukohta. FNPP asukoha lähedal asuv metallurgiatehas ja haigla võiks saada vedela lämmastiku saamise protsessis tekkivat hapnikku FNPP HTSC seadmete tööks. Töö projektiga näitas, et tõhusa ülijuhtiva tehnoloogia jaoks on oluline luua mitte üksikud tooted, vaid HTSC kompleksid, milles üksikute seadmete nõrgad kohad kaetakse kogu süsteemi summaarselt, mis võib olla suletud jahutusega. vooluring. Terviklahendus võimaldab mitte ainult vähendada kogu süsteemi mõõtmeid, vaid ka säästa selle hoolduskulusid.
Joonis 6 Ujuva tuumaelektrijaama HTSC-seadmete kompleks.
2014. aasta detsembris võeti ühtse energiasüsteemi föderaalse võrguettevõtte (FGC UES) uurimis- ja arenduskeskuses tööle ülijuhtivate seadmete krüogeense testimise rajatis. Killustunud pingikrüogeenne baas Venemaal takistab ülijuhtiva tööstuse arengut. Riigi ühe peamise krüogeense uurimisasutuse moderniseerimine lahendab mõned neist probleemidest.
2015. aasta novembris Venemaa Teaduste Akadeemia mehaanika, energeetika, masinaehituse ja juhtimisprotsesside osakonna (EMMPU) teadusnõukogu koosolekul rakendatud ülijuhtivuse kohta energeetikasektoris tutvustati projekti elluviimise tulemusi " Ülijuhtidetööstus“ esitati.
2015. aasta lõpus jätkus programmide väljatöötamine paljulubava töö jaoks HTSC-2 tootmise ja täiustamise ning HTSC seadmete elektrienergia rakenduste osas.
Projekt "Ülijuhtidetööstus" aastateks 2016-2020 (erinevatel eesmärkidel kasutatavad HTSC-süsteemid) hõlmas SP-süsteemide loomist elektrienergia tootmise ja ülekande objektides (hüdroelektrijaamad, tuumaelektrijaamad, tuumaelektrijaamad, tuulepargid) - elektrijaamade elektritootmiskompleksi ehitamist. HTSC kasutamine ühes süsteemis: krüosüsteem - generaator - kaabel - trafo - SOT - SPIN (aku) - elektriliinid.
HTSC kasutamine kosmoses, merenduses, lennunduses, autodes, raudteedes, sealhulgas MAGLEV-transpordis, meditsiinis (tomograafid, tsüklotronid), teaduses (kiirendid) jne.
Tänaseks on välja kujunenud tehnilise ülijuhtivuse infrastruktuur, mis ühendab teaduskeskusi, ülikoole ja tööstusettevõtteid. Ülijuhtivate toodete turu moodustamiseks Venemaal on vaja riigi toetust, osaledes kodumaistest ülijuhtidest valmistatud jõuseadmete ühisettevõtete ülijuhtiva tööstuse klastrite loomise tööde rahastamises.
Hetkel jätkub projekti "Superjuhtide tööstus" programmi järgmise etapi moodustamine. Ekspertide hinnangul ei tohiks HTSC vajalike parameetrite saavutamiseks loobuda madala temperatuuriga ülijuhtivusest. Sellesuunalisi uuringuid tuleks jätkata. Hüpe on vajalik ka uute ülijuhtivate materjalide otsimisel. Teist tüüpi tähelepanuväärse ülijuhi magneesiumdiboriidi kriitiline temperatuur on 39 K, see tähendab, et seda tuleb neooniga jahutada.
Heeliumitaseme ülijuhtivate seadmete stabiilseks tööks vajalikud keerulised jahutussüsteemid on takistanud ülijuhtivuse fenomeni laialdast kasutamist. HTSC etapis asendati need erinevat tüüpi kompaktsete ja töökindlate krüojahutitega. Uute materjalide loomine, mis suudavad säilitada ülijuhtivat olekut ilma jahutamiseta, on tulevikutehnoloogiate jaoks revolutsioonilise tähtsusega. Selliste materjalide kasutamine suurendab radikaalselt elektrijaotusvõrkude efektiivsust ja muudab energiasektori palju säästlikumaks.
Projektis "Superconductor Industry" osalejad esitasid aruandeid oma töö kohta riiklikul rakendusliku ülijuhtivuse konverentsil (NKPS-2015) riiklikus uurimiskeskuses "Kurchatov Institute", rahvusvahelisel teaduskonverentsil "AtomTech-2015. Elektrofüüsika”, SPIEF 2015-2017 rahvusvahelisel foorumil “ATOMEXPO 2017”.
Konverentsil „AtomTech-2015. Elektrofüüsika” JSC “Russian Superconductor” esindajad esitasid aruandeid projekti raames tehtud töö tulemuste kohta HTSC-2 tehnoloogiate ja rakenduste vallas energeetikas ja transpordis. HTSC-2-l põhinevate ülijuhtivate materjalide ja tehnoloogiate kasutamise väljavaadete kohta andis Venemaa ülijuhtide JSC V.I.Pantsõrnõi aruande 2014. aastal Dubnas St. Innovation Systemis toimunud rahvusvahelisel foorumil "Tuumaenergia säästva arengu nimel". AI järgi nimetatud Teadlaste Maja koosolekutest Gorki Peterburis.
Ülaltoodud konverentsidel peetud kõnede materjali koostas T.A. Devyatova
