Еще недавно сверхпроводимость казалась экзотическим явлением, наблюдающимся только при сверхнизких температурах. Но вот уже устройства со сверхпроводящими элементами используются в энергосистемах некоторых городов и в космической технике, а сверхпроводящие материалы выпускают промышленным способом. О перспективах сверхпроводниковой энергетики, и об участии ученых НИЯУ МИФИ в разработке отдельных элементов энергетики будущего мы беседуем с доцентом кафедры «Физика твердого тела и наносистем» Института ЛаПлаз, руководителем молодежной лаборатории "Сверхпроводящие энергетические системы" Сергеем Покровским.
Сергей Покровский
От материала к устройству
Сергей Владимирович, чем занята ваша лаборатория?
У нас несколько основных направлений, все они так или иначе связаны с прикладным использованием сверхпроводимости, хотя некоторые фундаментальные вопросы, касающиеся материалов мы тоже исследуем. Наша основная тематика связана с энергетикой и магнитными полями. Наш предмет - сильные сверхпроводящие магниты, накопители энергии и электрогенераторы на основе сверхпроводников. Кроме того, у нас в работе еще есть сверхпроводящие левитационные системы, на основе которых разрабатываются бесконтактные подшипники, а также левитационные подвесы и опоры. Мы не можем реализовывать в рамках лаборатории масштабные проекты, поэтому мы сосредоточились на проработке концептов, разработке отдельных элементов, исследовании материалов и адаптации этих материалов для конкретных условий работы в тех или иных устройствах. Например, сейчас решается задача, как оптимизировать параметры уже выпускаемого в России сверхпроводника. Их можно модифицировать, например, с помощью облучения и таким образом повышать его характеристики, либо менять их под конкретные условия работы в определенных устройствах. То есть, мы начинаем с самого материала, дальше исследуем этот материал, создаем модели устройства, рассчитываем его конструкцию, его параметры, пытаемся их оптимизировать и дальше мы можем, исходя из этого, сказать, какие нам нужны параметры у материала и пробовать эти параметры материалу придать.
На замену меди
Каковы главные направления использования сверхпроводимости (сверхпроводников?) в энергетике?
От использования сверхпроводников ждут повышения эффективности прежде всего – снижения потерь. Тем более что медь стала очень дорогой, и даже звучат предложения вернуться к алюминиевой проводке. А кроме того, сверхпроводники добавляют экологичности и безопасности. Например, традиционные трансформаторы, сложные генераторы требуют охлаждения, которое часто осуществляется с помощью специальных масел. Со временем масло деградирует, а при его разложении возникает водород - достаточно опасный газ. Между тем, сверхпроводник, как правило, охлаждается с помощью жидкого хладагента. Если мы говорим про высокотемпературный сверхпроводник, то это либо азот, который совершенно безвреден, либо сжиженные инертные газы, которые не вступают в химические реакции. Конечно, сверхпроводящие элементы на данный момент достаточно дорогие, и их обоснованное использование возможно в тех ситуациях, когда оно ведет к серьезным преимуществам, либо является безальтернативным. Одним из таких преимуществ является компактность. Почти любой элемент энергетического оборудования, выполненный из сверхпроводника, будет более компактным чем выполненный из традиционного материала- при той же мощности.
Кабели для небоскребов
А есть уже опыт практического использования сверхпроводников в энергетике?
Конечно. Если говорить о российских разработках – это, например, сверхпроводящие токоограничители, которые установлены на нескольких подстанциях. По сути это предохранители. Когда происходит короткое замыкание или большой скачок тока, то в работу вступают токоограничители. Они возвращают систему в устойчивое состояние. В мире уже используются сверхпроводящие кабели электропередач, как для переменного, так и для постоянного тока.
Такой кабель эффективнее традиционного?
В целом, он, как минимум, не хуже себя ведет, но он дороже. Правда есть, опять же, положительный момент, связанный именно с компактностью. Тут вступает в действие такой фактор, как безальтернативность. В мегаполисах, таких как Нью-Йорк или Москва, строят большие высотные здания, которые потребляют мегаватты энергии. К ним нужно подвести эту энергию, и сделать это безопасно, чтобы это не заняло много места, с учетом того, что подземных коммуникаций проведено и так большое количество Это большая проблема, она может тормозить развитие городов, и тут могут пригодиться компактные сверхпроводниковые кабели.
А в космосе сверхпроводники не используют? Там же холод рядом.
На самом деле с космосом все немножко более сложно. Холодно или тепло в космосе - это зависит от того, какой стороной ваш аппарат сейчас повернут к солнцу. Если вы развернете вашу систему к солнечной стороне, то будет очень даже жарко. Но вообще сверхпроводники в космосе присутствуют, но для других целей. На основе сверхпроводников делаются детекторы, те же магниты, которые используются, обычно для исследовательских задач.
Эффект магнитной левитации
От ускорителей до электровозов
Ну а ваша лаборатория, над чем сейчас работает вот в этой сфере?
У нас несколько направлений. В энергетике мы работаем над тремя элементами. Это два накопителя энергии – индуктивный и кинетический, и электрогенератор. Как раз прорабатываем вопрос замены элементов традиционного генератора, прежде всего обмотки, на сверхпроводящие для повышения его КПД. Правда, выигрыш в эффективности будет небольшим, поскольку у генераторов и так КПД больше 90%, но за эти проценты тоже идет война.
Сверхпроводящие накопители – они зачем могут быть нужны?
У них есть свои потенциальные ниши. Например, мы сотрудничаем с Дубной (ОИЯИ), совместно работаем над разработкой накопителя энергии, который будет питать ускоритель. Эта задача достаточно уникальная. Еще одна ниша – сделать накопитель энергии для электровозов. В РЖД чтобы собирать составы, используются маневровые тепловозы. Именно тепловозы, потому что под них строить электрическую инфраструктуру достаточно дорого. И одним из решений является использование электрических локомотивов, способных накопить энергию и потом её использовать. Причем время работы такого маневренного электровоза достаточно небольшое, порядка часа, он должен собрать состав и может ехать на зарядку. Для этого можно использовать сверхпроводниковые накопители энергии. Причем в России реализован один такой проект и уже запущен первый маневренный электровоз (ЭМКА2), но он сделан на других накопителях, не на сверхпроводящих. А можно сделать как раз на сверхпроводящих, тем самым увеличить энергоемкость накопителей для такого электровоза.
Кроме того, как вы знаете, в мире развивается альтернативная энергетика. И в этой гонке победит тот, кто сделает наиболее эффективные, наиболее качественные накопители энергии. Потому что любой источник альтернативной энергии, будь то ветрогенератор или солнечная батарея, не дает «чистой» энергии с точки зрения энергосети. Проблема в том, что параметры этой энергии постоянно меняются. Частота не является постоянной, амплитуда тоже не постоянная, они зависят от скорости ветра или от солнечной активности. Такая энергия не может быть напрямую использована в энергосистеме. Соответственно, вам в любом случае нужно эту «грязную» энергию где-то собрать, а потом из этого резервуара выпускать с правильными частотой и амплитудой, синхронизированными с энергосистемой.
Еще одна проблема: если мы хотим интегрировать в единую энергосистему маленькие электростанции, то мощность их настолько глобально отличается, что возникает вопрос безопасности. Может возникать ситуация, когда поток энергии не поступает с электростанции в энергосистему, а наоборот, каким-то образом попадет из сети в эту маленькую электростанцию. Возникают большие проблемы защиты малых производителей энергии. Отчасти и эта проблема тоже решается, просто за счет использования сверхпроводников. Можно комбинировать разные устройства, токограничители с накопителями энергии, да и сам по себе накопитель энергии может разделять две энергосистемы, и даже если он сам пострадает, дальше, все остальное останется «живым».
Полезные дефекты
Давайте поговорим о результатах. Что за истекшие годы удалось сделать в вашей лаборатории? Например, в области материалов?
Мы по данной теме сотрудничаем с промышленным производителем композитных сверхпроводниковых лент, компанией С-инновации. Кроме того, у нас идет взаимодействие с ОИЯИ (г. Дубна), поскольку мы входим в консорциумы как по исследованию материалов, так и по созданию накопителей энергии и магнитов в рамках проекта НИКА. Мы выполняли расчеты для облучения материалов, а также исследования уже облученных материалов. В ходе совместной работы благодаря облучению композитных сверхпроводников тяжелыми ионами с энергиями порядка мегаэлектронвольт было показано практически трехкратное улучшение характеристик материала, то есть трехкратное увеличение того максимального тока, который сверхпроводник может пропускать. Композитный сверхпроводник, с которым мы работаем представляет собой ленту, состоящую нескольких слоев, и, самый ключевой элемент в этом композите – это как раз сверхпроводящий слой, он достаточно тонкий, порядка одного микрометра, но именно он и ответственный за возможность передачи тока без потерь. Такой композит производится в России и еще в нескольких странах мира. Бомбардировка композита ионами приводит к образованию радиационных дефектов в сверхпроводящем слое, а эти дефекты как раз положительно влияют на характеристики материала. (просили не афишировать) Также мы проводим расчеты, моделирование поведения этих материалов при облучении, как эти дефекты возникают, как они влияют, и почему они влияют именно так.
Работает магнитное поле
С точки зрения конструкции сверхпроводниковых устройств – есть успехи?
По всем основным устройствам мы провели моделирование и экспериментальную проверку параметров элементов устройств – кинетического и индукционного накопителей энергии, а также генератора. Кроме использования сверхпроводящих обмоток есть еще один вариант использования сверхпроводников в качестве заменителей постоянных магнитов в генераторе. Мы можем сделать из сверхпроводников магниты захваченного потока. Магнитные поля, которые могут создавать сверхпроводники в разы превышают те, что достижимы с помощью постоянных магнитов. Тут идея очень простая. Раз у нас в генераторе и так уже есть сверхпроводник, значит у нас уже есть система охлаждения, то логично, что мы можем заменять сверхпроводниками не только обмотки, но и другие элементы генератора. Там еще много задач, которые требуют решения, но первые результаты уже есть и статьи опубликованы.
Что касается накопителей энергии: по индукционным накопителям на данный момент у нас создаются модели, выполняется оптимизация конструкции, выясняем, сколько должно быть витков в обмотке, как они должны быть расположены, то есть решаем уже технические задачи. Правда, есть проблема, для которой в мире еще нет решения – это сверхпроводящий контакт. Для низкотемпературных проводников его научились делать, , но создать такой контакт для высокотемпературного сверхпроводника -это достаточно сложная задача, которая на данный момент не решена. Хотя сопротивление в контактах маленькое, оно там исчисляется наноомами или даже меньше, но все равно это слишком много для накопителя, где энергия должна храниться длительное время. На контактах возникает нагрев, потеря энергии и, соответственно, уменьшение тока.
По кинетическим накопителям – мы опробовали и запатентовали сделанную на сверхпроводниках магнитную муфту.
Также у нас есть проект по сверхпроводящему подшипнику. Эти проекты у нас плавно перетекают один в другой, потому что в кинетическом накопителе используется принцип магнитной левитации, который может позволить заменить традиционный фрикционный подшипник на бесконтактный, тем самым повысив его производительность.
А кроме того, мы разрабатываем собственные измерительные методики, установки, криостаты, и так далее. Это сопутствующая работа, которая тоже требуется для того, чтобы успешно реализовать наши задумки. Наша конечная цель — создать лабораторные прототипы. Это будут уменьшенные, копии полномасштабных устройств, но на данный момент и таких разработок в мире единицы.
Вы думаете, будущее энергетики за сверхпроводниками?
Я думаю, что да. Ну, по крайней мере, к этому планомерно все идет. Эта сфера энергетики развивается медленно, но уже есть прорывные области, в которых сверхпроводимость уже сейчас показывает хорошие результаты и завоевывает доверие. Уже сейчас есть передовые проекты, которые показывают, что сверхпроводимость работает и приносит пользу. Ну а в термоядерной энергетике без сверхпроводимости вообще не обойтись.
Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба НИЯУ МИФИ
