Фантастический КПД. Полностью сверхпроводящий авиационный двигатель снизит выбросы и расход топлива
Ожидается, что в ближайшем будущем объем воздушных перевозок во всем мире возрастет, ежегодно увеличиваясь на 5%. Задуматься о снижении выбросов надо уже сейчас.
E-Thrust представляет собой концепцию электрической распределительной двигательной установки для снижения расхода топлива, сокращения выбросов и снижения уровня шума (Источник: Airbus Group, 2016).
Эффективное использование топлива напрямую связано с сокращением выбросов. Создан готовый для испытаний прототип полностью сверхпроводящего авиационного двигатель, обеспечивающий удельные мощность и КПД, необходимые для гибридно-электрической распределительной тяги будущих крупных гражданских самолетов (A320, A350), который должен снизить выбросы CO2 на 75%, NOx и твердых частиц на 90%, шума на 65% и расхода топлива на 70% (базовые расчеты 2000 года).
Разработки для пассажирских электрических самолетов уже в самом разгаре, над прототипами работают Airbus, Wright Electric и Zunum Aero. Это в основном гибридные концепции, которые продемонстрируют работу электрических машин в тандеме с турбинными двигателями для тяги. В такой конфигурации моторы HTS могут внести существенный вклад. За рамками этого НАСА изложило планы по разработке самолета N3-X. Это должно обеспечить снижение расхода топлива на 70% за счет использования двух газовых HTS-генераторов для питания распределенных вентиляторных HTS-двигателей.
Двигатель создан в рамках программы Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED), координируемой немецкой компанией Oswald Elektromotoren при поддержке европейской программы Horizon 2020. Это синхронный двигатель, в котором вращающий момент создается за счет магнитного поля, генерируемого в высокотемпературных сверхпроводящих роторе и статоре, работающих при температуре – 250°C . Двигатель имеет мощность 1 МВт и плотность – 20 кВт⋅ч. Такой силовой агрегат рассчитан на работу с общей эффективностью более 99,9% при тепловых потерях менее 1%.
Среди трудностей, с которыми команда инженеров столкнулась при разработке ASuMED, – устройство системы охлаждения для статора и ротора, а также контроль намагниченности сверхпроводящих элементов. В качестве источника низких температур криостата для статора выбран водород, тогда как для ротора – гелий.
В перспективе Oswald Elektromotoren планируют повысить мощность силового двигателя с 1 до 10 и более мегаватт. Программа ASuMED, стартовавшая в 2007 году, должна завершиться в феврале-марте 2020 года созданием полностью готового демонстратора. 
Прототип полностью сверхпроводящего авиационного двигатель, обеспечивающий удельные мощность и КПД, необходимые для гибридно-электрической распределительной тяги будущих крупных гражданских самолетов (A320, A350 и др.).
НАСА N3-X, самолет, предназначенный для приведения в движение с помощью вентиляторов с приводом от двигателя HTS, работающих на турбогенераторах HTS, установленных на кончиках крыльев.
Гибридно-электрический демонстратор полета E-Fan X, совместный проект Airbus, Siemens и Rolls-Royce, в котором один из четырех газотурбинных двигателей будет заменен электродвигателем мощностью 2 МВт. Летать планируется к 2020 году.
Удивительные свойства сверхпроводимости
Сверхпроводимостью называется обращение в ноль электрического сопротивления при достижении проводником некоторой (критической) температуры. Низкотемпературная сверхпроводимость связана с прекращением теплового движения атомов вещества и образованием куперовских квазичастиц (связанных пар электронов). Высокотемпературные сверхпроводники (HTS) – решение проблемы повышения эффективности электрической тяги, они делают возможным использование двигателей большой мощности и малой массы. ВТСП материалы теряют свое электрическое сопротивление ниже температуры сверхпроводящего перехода. Для обычных сверхпроводников эти температуры перехода настолько низки, что их необходимо в основном охлаждать с использованием жидкого гелия (-269 °C). HTS, с другой стороны, работают при сравнительно высоких температурах и могут охлаждаться с использованием жидкого азота (-196 ° C), дешевого и распространенного хладагента. Несколько производителей уже разработали методы производства ВТСП-проволоки, цена которой даже приближается к цене меди.
В отличие от низкотемпературных сверхпроводников, высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) не так легко поддаются изготовлению из проводов. HTS, например, YBa2Cu3O7-x (YBCO), являются хрупкой керамикой и из-за их большой кристаллографической анизотропии требуют высокого уровня выравнивания зерен. Проще говоря, эти материалы переносят большие токи только тогда, когда они существуют в виде почти идеального кристалла. Поэтому существует проблема как сделать провода из такого материала. Производители нашли способ. За последнее десятилетие несколько компаний по всему миру производили высокотемпературный сверхпроводящий провод. Стратегия заключается в нанесении тонкой пленки YBCO на гибкую металлическую ленту. YBCO получают превосходную двуосную текстуру или выравнивание кристаллических зерен либо путем нанесения текстурирующего буферного слоя между лентой и ВТСП, либо путем термомеханической обработки металлической ленты перед нанесением покрытия YBCO.
Схема покрытого проводника с видимой металлической ленточной подложкой, буферными слоями и сверхпроводящими слоями. В этом случае используется очень похожий HTS на YBCO, называемый GdBCO.
Эти так называемые покрытые проводники могут переносить тысячи ампер тока в слое YBCO толщиной всего несколько микрон – примерно в сто раз тоньше человеческого волоса. Более того, поскольку провода не оказывают электрического сопротивления, резистивный нагрев отсутствует, а после охлаждения требуется очень мало охлаждающей мощности во время работы. Для приложений, где нам нужны очень большие токи, медные провода становятся слишком массивными и требуют слишком большой охлаждающей мощности, что делает HTS-провод очень привлекательной альтернативой.
Для справки:
- Сверхпроводимостью называется обращение в ноль электрического сопротивления при достижении проводником некоторой (критической) температуры.
- Низкотемпературная сверхпроводимость связана с прекращением теплового движения атомов вещества и образованием куперовских квазичастиц (связанных пар электронов).
- Высокотемпературные сверхпроводники имеют отличающиеся от низкотемпературных свойства, прежде всего, квазидвумерность и многозонность, которые приводят к появлению сверхпроводимости, как правило, при температурах до минус 243°C . Двумерность обусловлена слоистой структурой сверхпроводника, а многозонность – различием в организации кристаллических решеток слоев и их взаимодействием.
Заключение
Разработки для пассажирских электрических самолетов в самом разгаре. Над прототипами работают Airbus, Wright Electric и Zunum Aero. Это в основном гибридные концепции, которые продемонстрируют работу электрических машин в тандеме с турбинными двигателями для тяги. В такой конфигурации моторы HTS могут внести существенный вклад. За рамками этого НАСА изложило планы по разработке самолета N3-X. Это должно обеспечить снижение расхода топлива на 70% за счет использования двух газовых HTS-генераторов для питания распределенных вентиляторных HTS-двигателей. Несмотря на преимущества, в действительности внедрение HTS в двигательной установке происходит достаточно медленно. Скорее всего, это связано со сложностями технологии и связанных с этим дополнительных затрат на разработку.
Источник: