Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
Если обмотка вдруг перейдет из сверхпроводящего в обычное состояние, то циркулирующий в ней ток, силой в сотни тысяч ампер, моментально испарит и ее и всю установку. Это эквивалентно взрыву небольшой атомной бомбы.
Такие установки должны быть расположены глубоко под землей, вдали от городов.
Однако расходы на построение сверхпроводящих накопителей должны окупиться с лихвой.
Американские специалисты подсчитали, что двадцать подобных накопителей дадут возможность уменьшить капиталовложения в развитие энергетики США на 45 миллиардов долларов.
Резервуар для охлаждения катушки сверхпроводящего накопителя с запасом энергии 27 миллиардов ватт — часов по расчетам должен содержать 600 тысяч кубических метров, то есть, по сути, небольшое озеро жидкого газа.
В одном из проектов сверхпроводящего индуктивного накопителя электрической энергии такое «озеро» предлагается наполнять жидким водородом.
Но почему водородом? Ведь высокотемпературные керамические сверхпроводники можно охлаждать даже жидким азотом.
Водород сам по себе является источником энергии. Это прекрасное топливо для котлов электростанций, двигателей автомашин, тепловозов и самолетов.
Чтобы заменить органическое топливо водородом, его необходимо вырабатывать в больших количествах из морской воды. Предполагается, что это будет осуществляться на атомных, а позже на термоядерных станциях.
Тогда сверхпроводящий накопитель электрической энергии будет одновременно служить складом идеального горючего. Отсюда жидкий водород будет направляться потребителям, «по дороге» охлаждая сверхпроводящие кабели, несущие электрическую энергию.
Развитой промышленности требуются электродвигатели все большей мощности. Увеличивается мощность электрических машин — повышается их сложность, увеличиваются габариты, которые в конце концов превышают разумные пределы. Такие машины становятся, в частности, нетранспортабельными. Для электродвигателей постоянного тока предел мощности в общепринятом конструкторском решении составляет 10 миллионов ватт.
Практически перешагнуть этот барьер можно только при использовании сверхпроводимости.
Сверхпроводящая машина постоянного тока имеет неподвижный индуктор с обмотками возбуждения и вращающийся якорь.
Сверхпроводящие обмотки возбуждения располагаются в неподвижном криостате. В его центральном отверстии вращается «теплый» обычный якорь.
Плотность тока в обмотке сверхпроводящей машины может достигать 1000 ампер на квадратный миллиметр. При таком токе возбуждается достаточно сильное магнитное поле без помощи железа и отпадает надобность в ферромагнитном сердечнике.
Если учесть, что в обычных электрических машинах основную массу составляет железо, то нетрудно себе представить, насколько уменьшаются габариты и масса сверхпроводящей машины. Многие детали машины могут быть изготовлены из… пластмассы.
Малая инерционность и хорошая регулируемость сверхпроводящего электродвигателя постоянного тока создают хорошие перспективы для его применения в качестве привода прокатных станов, больших насосов и вентиляторов на электростанциях, шахтных подъемников и в ряде других отраслей промышленности.
Особенно перспективным является применение сверхпроводящих электрических машин в морском транспорте.
При проектировании электрического привода для кораблей редко удавалось преодолеть трудности, связанные с габаритами и стоимостью. На современных судах мощность на валу нередко превышает 30 миллионов ватт, что намного превосходит возможности обычных двигателей постоянного тока.
Сверхпроводящие машины постоянного тока обладают достаточной мощностью для непосредственного привода винта, а также для приведения в действие всех вспомогательных установок корабля, нуждающихся в электрическом питании. Подсчитано, что применение на танкерах и контейнеровозах сверхпроводящих электродвигателей даст возможность увеличить пространство, занимаемое грузом, на 10–20 %.
А знаете ли вы, что такое магнитогидродинамический генератор, или сокращенно МГД — генератор?
Уже его внешний вид ломает традиционное представление об электрических машинах. В нем нет вращающихся частей.
Принцип действия МГД — генератора заключается вкратце в следующем. Газ нагревается, например, путем сжигания какого‑либо горючего до температуры порядка 3000К. Для повышения степени ионизации в газ добавляется небольшое количество щелочных металлов. В результате газ становится электропроводным: он превращается в так называемую низкотемпературную плазму.
Поток такой плазмы пропускается с большой скоростью через канал, помещенный в сильное магнитное поле, которое может создаваться, например, сверхпроводящими магнитами. При этом отклоняемые магнитным полем ионы и электроны создают на специально введенных электродах электрическое напряжение.
Плазма покидает МГД — генератор при относительно высокой температуре. Следовательно, она уносит с собой часть тепла. Для его использования плазма после выхода из канала МГД — генератора попадает в парогенератор, где ее достаточно высокий запас тепла расходуется для получения пара.
Таким образом, плазма работает как бы дважды: в канале МГД — генератора из нее непосредственно извлекают электрическую энергию, а затем, несколько охладившись и превратившись в обычный неэлектропроводный газ, она отдает оставшееся тепло пару, который вращает турбину и сидящий с ней на валу электрический генератор.
У нас в стране сооружается первый промышленный гидродинамический энергетический блок мощностью 550 миллионов ватт. Он состоит из МГД — генератора мощностью 250 миллионов ватт и стандартной паровой турбины мощностью 300 миллионов ватт.
Главное преимущество МГД — метода преобразования энергии — высокий коэффициент полезного действия. По расчетам специалистов, относительное увеличение коэффициента полезного действия МГД — электростанции по сравнению с тепловой может составить около 25 %.
При сегодняшнем уровне выработки электроэнергии увеличение коэффициента полезного действия тепловых электростанций на такую величину сэкономило бы в нашей стране 75 миллионов тонн топлива (в пересчете на условное) в год или позволило при том же расходе выработать дополнительно 250 миллиардов киловатт — часов энергии.
МГД — генераторы со сверхпроводящими магнитами отличаются относительно малой массой. Поэтому их особенно разумно использовать в авиации или при космических полетах.
Читатель, наверное, помнит «гроб Магомета», о котором шла речь в главе четвертой. Такое шутливое название получил проведенный в 1945 году эффектный эксперимент московского профессора с небольшим постоянным магнитом, который парил над сверхпроводящей чашей.
Теперь мы в силах заставить парить в воздухе не только «гроб Магомета», но целый железнодорожный состав.
…В наш век больших скоростей тон задают космические ракеты и сверхзвуковые самолеты. Но и «старушка» железная дорога старается не отставать от требований века. Ведь и сегодня большая часть людей и грузов перевозится железнодорожным транспортом.
Люди старшего поколения помнят время, когда поезд преодолевал расстояние от Москвы до Ленинграда чуть ли не за сутки. Сегодня поезд, отправляющийся из Москвы поздно вечером, прибывает в город на Неве рано утром.
Можно ли увеличивать скорость обычного поезда беспредельно?
С повышением скорости увеличиваются вибрации, обусловленные неровностями пути и колес. При чрезвычайно большой скорости горизонтальные вибрации (рыскание) становятся столь большими, что они могут привести к катастрофе. При чрезмерной скорости вследствие больших вибраций нарушается нормальное функционирование системы подвески контактного провода.
Специалисты считают, что предельная скорость обычного железнодорожного состава не должна превышать 250 километров в час.
Сегодня мы уже подходим к этому пределу. Для того чтобы его перешагнуть, надо оторвать поезд от поверхности земли. А это возможно только с помощью магнитного подвеса, или, как его часто называют, магнитной подушки.
Представьте себе поезд, снабженный рядом сверхпроводящих магнитов, расположенных у основания вагонов. Необычный вид имеет и железнодорожное полотно. Оно содержит множество последовательно расположенных петель из хорошего проводника, например из алюминия.
Когда поезд стоит на месте, не возникает никакого взаимодействия между постоянными магнитами, расположенными в поезде, и железнодорожным полотном. Поезд необходимо сначала привести в движение и сообщить ему определенную скорость.
В этом смысле поезд на магнитной подушке можно уподобить самолету. Для того чтобы воздушный лайнер мог оторваться от земли, ему надо дать разгон, то есть он должен пробежать определенное расстояние на колесах по земле, как и обычное средство наземного транспорта. Очевидно, по этой аналогии поезд на магнитной подушке называется магнитопланом.
