«Минимизировать энергетические потери»: учёный МАИ — о перспективах применения новой сверхпроводниковой системы

Российские учёные создали лабораторный демонстратор сверхпроводниковой системы. Об этом в эксклюзивном интервью RT рассказал начальник НИО-310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Николай Иванов. По его словам, инновационное изделие может использоваться в гибридной силовой установке для крупногабаритных летательных аппаратов, в энергетических комплексах в железнодорожных локомотивах и дизель-электрических ледоколах.

— Каких результатов вы добились в разработке сверхпроводниковой системы и в чём её предназначение?

— Специалисты МАИ совместно с коллективом Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН работают над проектом сверхпроводниковой системы с 2020 года при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования.

На данный момент мы создали лабораторный демонстратор сверхпроводниковой системы. Он состоит из пяти устройств: сверхпроводящего генератора, сверхпроводящего кабеля, выпрямительного устройства (преобразователя переменного тока в постоянный), накопителя энергии и системы криогенного охлаждения.

Сверхпроводниковая система предназначена для передачи электрической мощности без потерь. Она способна генерировать постоянный ток напряжением 540 В. Без неё невозможно изготовить гибридную силовую установку (ГСУ) для крупногабаритных летательных аппаратов, например для самолёта пассажировместимостью более 70 человек.

Без сверхпроводниковой системы ГСУ может быть использована на БПЛА и лёгких самолётах вроде ЛМС-901 «Байкал», в разработке которого, кстати, участвовали инженеры МАИ.

В целом сверхпроводимость актуальна для техники мощностью более 1 МВт. Помимо воздушных носителей, сверхпроводниковая система может применяться на наземных и надводных платформах.

С нашей точки зрения, её целесообразно устанавливать на железнодорожные локомотивы. Сейчас выпускаются контактные электровозы, которые питаются через контактную сеть с напряжением постоянного тока. Есть маневровые локомотивы, которые не зависят от сети и получают электроэнергию от дизельного генератора.

На наш взгляд, локомотив, на котором установлена сверхпроводниковая система, будет иметь существенно более высокий КПД и, соответственно, его экономическая эффективность повысится.

Сверхпроводниковая система может широко применяться и на кораблях самого разного типа, в том числе на дизель-электрических ледоколах.

Сегодня в составе практически всех энергетических установок крупногабаритных судов применяются устройства электродвижения, передающие энергию на винты. Наша разработка, как и в случае с локомотивами, заметно повысит КПД этих устройств.

— На каком этапе развития находятся технологии сверхпроводимости? Наверняка не так просто изготовить систему, которая способна пропускать ток почти без энергетических потерь.

— Да, вы правы. Создать сверхпроводниковую систему — это непростая задача. Явление сверхпроводимости было открыто более 100 лет назад голландским физиком Хейке Каммерлинг-Оннесом, но человечеству по-прежнему так и не удалось создать надёжные изделия, которые будут гарантированно постоянно обеспечивать пропускную способность тока на уровне, близком к 100%.

Как я говорил, наш образец представляет собой лабораторный демонстратор. В ближайшее время мы начнём испытывать систему, чтобы детально выяснить, как её элементы будут взаимодействовать между собой. Проведём замеры параметров их работы, чтобы определить оптимальный режим эксплуатации.

Предполагается, что в итоге станет понятно, стоит ли изготавливать систему как единый блок или же необходимо разносить устройства в составе силовой установки. Затем планируется испытать систему на носителе — скорее всего, на сухопутном.

Конечно, мы не единственные, кто ведёт разработку сверхпроводниковой системы для последующей полноценной эксплуатации. Своего рода нашим конкурентом можно считать проект Ascend, который реализует Airbus.

Информации о нём немного. На сайте европейского концерна сообщается, что в рамках этого проекта будет изучаться влияние сверхпроводящих материалов и криогенных температур на характеристики электрических силовых установок самолёта.

В Airbus рассчитывают уменьшить потенциальную массу компонентов системы и сократить потери электричества как минимум вдвое, а напряжение снизить менее чем до 500 В. Испытания системы должны начаться в этом году.

При помощи демонстратора Airbus надеется улучшить характеристики существующих и будущих силовых машин, включая вертолёты, региональные и узкофюзеляжные самолёты, а также перспективный аппарат вертикального взлёта и посадки eVTOL.

Airbus и мы решаем примерно одни и те же проблемы. Развитие технологий сверхпроводимости объективно сдерживает отсутствие материалов, способных стабильно пропускать ток с КПД до 100% и выдерживать экстремальные температурные перепады.

Есть нерешённые вопросы, связанные с использованием жидкого водорода, который может одновременно выполнять функции хладагента и криогенного топлива. Речь идёт о трудностях в обеспечении крайне низкой температуры (около -250 °C) для безопасного хранения и транспортировки Н₂.

Ещё одна насущная задача — снижение массогабаритных характеристик различных элементов системы, в том числе криогенного оборудования.

Если удастся решить эти проблемы, то в авиации криогенное топливо может заменить традиционный керосин.

Хочу напомнить, что именно Россия была пионером в применении жидкого водорода в гражданской авиации. В 1988 году первый полёт совершила летающая лаборатория Ту-155. Однако полностью водородным этот самолёт, конечно же, не был — из трёх двигателей на Н₂ работал один.

Очень много места занимало оборудование для использования жидкого водорода. В общей сложности советским инженерам пришлось изготовить более 30 дополнительных бортовых систем, чтобы безопасно использовать энергетический потенциал криогенного бака с жидким Н₂ объёмом 20 куб. м.

Помимо Ту-155, специалисты разработали уникальный авиадвигатель НК-88, работавший на жидком водороде, однако дальнейшего развития эти изделия не получили. Тем не менее труд наших учёных не был напрасным — они доказали жизнеспособность идей водородной авиации.

— Какие проблемы вам удалось решить при разработке сверхпроводниковой системы?

— Значимым достижением стала система криогенного охлаждения замкнутого типа. Она, например, обеспечивает работу выпрямительного устройства. В мире такие преобразователи тока — большая редкость, ими занимаются всего несколько научных групп.

Одновременно мы продолжаем совершенствовать криогенное оборудование, чтобы минимизировать энергетические потери с помощью криогенной жидкости.

Уникальную конструкцию имеет сверхпроводниковый кабель системы. При меньшей массе он способен пропускать в десятки раз больше тока (несколько МВт), чем обычный медный кабель.

Наш генератор имеет сверхпроводниковую обмотку переменного тока, которая является предметом исследований. Дело в том, что в мире до сих пор нет сложившейся теории и методики расчёта потерь в сверхпроводниковой обмотке переменного тока в составе электрических машин.

При работе сверхпроводящей системы любая мелочь, будь то скачок напряжения, колебание температуры (способно деформировать материалы. — RT), чрезмерные вибрации (влияют на работу сверхпроводящих обмоток внутри электрической машины. — RT), может привести к нештатной ситуации.

Однако мы получили много важных экспериментальных данных, которые в дальнейшем позволят увеличить надёжность и эффективность сверхпроводниковых систем.

Все вопросы, связанные с развитием сверхпроводимости, мы решаем в рамках междисциплинарного подхода. В проекте участвуют специалисты в области электромагнетизма, механики, физики низких температур (криогеники), тепловых исследований.

— Насколько я могу судить, первоочередная цель заключается в том, чтобы поставить сверхпроводимую систему на службу авиации. Вы упомянули про экспериментальный Ту-155 и двигатель НК-88. Можно ли говорить о возможном ренессансе таких проектов?

— Да, вы правы по поводу первоочередной задачи. Электрификация авиации неизбежна, потому что она позволит побороть проблему шума, а также существенно сократить объём вредных выбросов либо полностью их исключить.

Наша сверхпроводниковая система потребуется самолётному ГСУ мощностью более 1 МВт. Мы убеждены, что российские лайнеры непременно будут оснащаться силовыми машинами нового типа, но это не перспектива сегодняшнего дня.

Пока крупнейшим инвестором в сектор водородной авиации можно считать Airbus. Европейцы рассчитывают, что Н₂ в значительной мере заменит традиционные энергоресурсы, в том числе керосин.

Airbus планирует создать лайнеры, которые будут заправляться так называемым зелёным водородом. Проблема в том, что энергия для его выработки должна поступать из возобновляемых источников. Откровенно говоря, в настоящий момент задумка Airbus не представляется экономически целесообразной.

Тем не менее технологии, связанные с производством Н₂, интенсивно развиваются. А при массовой эксплуатации водородных лайнеров и создания соответствующей инфраструктуры для их обслуживания зелёный водород должен подешеветь и составить полноценную конкуренцию керосину.

Конечно, работы на этом пути очень много. Для хранения жидкого водорода требуются более прочные материалы, устойчивые, в частности, к температурным перепадам. Иначе не получится по-настоящему широко использовать это криогенное топливо в коммерческой авиации.

— Насколько безопасной может быть водородная авиация?

— Уже сейчас современная инженерная мысль позволяет разработать «водородный» лайнер с таким же уровнем безопасности, что и «керосиновый» самолёт.

На мой взгляд, главными сдерживающими факторами развития этой области являются необходимость значительных инвестиций и кардинальное изменение инфраструктуры обслуживания самолётов.