導入: ターボポンプ工学の次のフロンティア

ターボポンプは、電力を生成する産業用タービンにペイロードをスラストするロケットエンジンから、高性能流体システムのビートハートです。 これらの装置は、低温殺菌剤または過熱ガスを処理する間、毎分何千もの回転でスピンしなければなりません。 従来の設計は、銅巻上げ、スチールベアリング、および重回転装置に依存し、そのすべてが、摩擦損失と電気抵抗を制限する。

過度の熱なしで、電気抵抗をゼロにし、激しい磁場を発生させることにより、過度の熱を放ちながら、超伝導体は、大幅な重量を削りながら、ターボポンプの効率を飛躍的に向上させることができます。この記事では、超伝導の背後にある科学、ターボポンプシステム、残っているエンジニアリングハードル、および次の10年以内に主流使用にこれらの材料をもたらすことができる画期的な研究を研究する。

超伝導材料の理解

ゼロ抵抗の物理学

特定の材料が重要な温度(Tc)の下で冷却されるとき過伝導性は起こります。その時点で、電子はたるまることなしで流れる量子の状態にたるたるたる製造人の組そして凝縮に対ります。結果は正確にゼロに低下する直接現在の電気抵抗です。現在の適用を交換するために、損失は極めて低くがゼロではないです、しかし慣習的なコンダクターより少しのmagnitudeの発注。

低周波対高-温度超伝導体

ニオブチタニウム(NbTi)やニオブチニン(Nb3Sn)などの慣習的なスーパーコンダクターは、30K(約243 °C)以下の温度への冷却を必要とする。これらの材料はよく--アンダーストードであり、MRI磁石および粒子加速器で10年間使用されている。高温スーパーコンダクター(HTS)は、イットリウムバリウム銅酸化物(YBCO)およびビストロ(FUJIS)などの、およびそれらが、より低温で動作する。(FUSCO)は、それらは、液体窒素を、またはCOS(FUSCO)、C)、より低温で動作する。

近年、高圧下での水素化合物の「」のiron-based superconductors[]と、室温過伝導率が最終的に達成できる可能性があることを示唆していますが、このような材料はエンジニアリング用途には適用されません。

ターボポンプの設計を変形させることができる超伝導体

ターボポンプのための超伝導電動モーター

従来のターボポンプでは、電動モーターはインペラを駆動します。 固定子の銅巻線は、抵抗力のある冷却ジャケットとパワー密度を制限するため、熱を発生させます。 これら巻上げをスーパーコンダクタリングコイルで置き換えることで、モーターは抵抗加熱なしではるかに高い電流密度を運ぶことができます。 例えば、複数のメガワットで評価される重圧モーターは、その銅燃料の重さの半分と3分の1であることができます。 この質量分析装置は、各ターボ消費量を消費する量を削減します。

超伝導磁気軸受(SMB)

機械的軸受は、摩擦を引き起こし、重量と複雑性を付加する潤滑システムを必要とします。 過伝導性磁気軸受は、Meissner効果を悪用します。超伝導体からの磁場の排出 - 物理的接触なしで回転子を誘発する。 これらの軸受は、受動安定性、事実上ゼロ摩耗を提供し、最小限のエネルギー損失で高速で動作することができます。 IEEE トランザクションで公開された、超伝導性スーパー導電率 回転酸素が回転するの液体が、それらに抵抗する酸素を低減することができます。

物質的な取り替えによる重量の節約

超伝導テープとワイヤは、必要な断面積が小さくなるため、銅やアルミニウムよりも、通常はるかに軽量です。超伝導ワイヤは、銅線と同じ電流を数回、その直径で運ぶことができます。さらに、モーターおよび発電機の重鉄コアの除去は、さらに質量を削減します。より小さい冷却装置(HTS材料によって可能に作られた)から保存された重量と組み合わせると、完全な超伝導ターボポンプは、〜40] - [FLT] - [FLT] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F

高性能化のための磁場の強化

スーパー導体は、永久磁石や銅電子回路で達成可能な1〜2 Tを超える10 Tを超える磁気フラックス密度を生成できます。 より強い分野は、直接より高いトルク密度に変換し、ターボポンプがより迅速に流体を加速し、単一のステージで大きな圧力上昇を達成することができます。 このパフォーマンスブーストは、全体的な設計とさらなる切削重量とコストを簡素化する、必要なステージの数を減らすことができます。

現行の課題とエンジニアリングソリューション

低温冷却の要件

アクティブ冷却の必要性は、主観的な障害を残します。 低温度のスーパーコンダクターは、液体ヘリウム(4.2 K)を必要とし、複雑な冷凍システムが重量と効率の利益の一部を相殺します。 しかし、液体窒素温度で動作するHTS材料は、ターボポンプ環境とはるかに互換性があります。特に、液体水素(20 K)や液体酸素(90 K)などの低温処理剤を既に扱うロケットエンジンでは、特に。このようなシステムでは、クーラントは既に存在しています。 一体化熱伝導性モーターは、または分離されていない、熱風変性モーターを要求します。

素材の脆性および製造

高温超伝導体は、ワイヤーやコイルに成形する脆く、困難であるセラミック化合物です。 重要な進歩は、緩衝層と薄い超伝導フィルムで金属基質を使用して柔軟なHTSテープを生成しています。 のような企業は、SuperOx]とAMSCは、許容された機械的特性でコイルに傷をすることができる、Kum-lengthテープを供給しています。 合成物の研究を経て、耐久性の形成と耐久性を向上させるためにさらなる技術を開発します。

既存システムとの統合

既存のターボポンプアーキテクチャに超電導コンポーネントを改良するには、熱膨張、低温での電気絶縁、および液化イベントに対する保護(過伝導の突然の損失)の慎重な管理が必要です。 保護回路、冗長冷却経路、および安全な操作を確保するための強力な診断を埋め込むことは不可欠です。 いくつかの航空宇宙機関は、現実的な条件でこれらのサブシステムをテストするために、モジュラー「超伝導ターボポンプ減衰器」を開発しています。

リアル・ワールド・アプリケーションと研究

航空宇宙の推進:より効率的なロケットエンジンのリーチ

NASAの先進の低温学の進化したステージ(ACES)のコンセプトとの探索アッパーステージプログラムは、エンジンドライマスを削減し、特定の衝動を増加させる手段として、超伝導ターボポンプを探索してきました。 2023年に、ケンブリッジ大学のチームは、このようなエンジンの運転効率を50%以上削減するという実証実験的な超伝導モーターを実証しました。

エネルギーセクター: 発電のための超伝導ターボポンプ

過電導ターボポンプは、集中型太陽光発電(CSP)プラントや高度原子炉に有望で、高温流体を効率的に循環させなければならない。 溶湯-塩熱伝達によるCSPプラントでは、磁気軸受超伝導ユニットと機械ポンプを交換することで、パラシティックロスを削減し、全体的な熱効率を向上させることができます。 A ]SunShottは、その寿命を節約するために、その寿命を延期するために10MWを推定したことを研究しました。

注目すべき研究プロジェクト

  • ESAの「SuperTurbo」プロジェクト:[]]欧州宇宙庁は、500kWターボポンプのデモンストレータ用の超伝導モーターと磁気軸受を開発するためのコンソーシアムを資金供給し、40%の体重削減を目標としています。
  • MIT SpinLab:]] 研究者は、従来の航空宇宙モーターの3倍以上の3倍以上の電力密度を達成するための、REBCO(耐摩耗バリウム銅酸化物)テープを使用するコンパクトなHTSモーターをテストしています。
  • ]:日本JAXA:[:日本の宇宙機関は、分解なしで200時間以上ゼロ抵抗動作を実証する液体水素ターボポンプテストベッドに超伝導コイルを統合しました。

未来の展望と潜在的影響

高温度超伝導体での進展

高圧下の温度のほぼ室温で過導性を発揮する水化物超伝導体の発見は、研究コミュニティを活性化させてきましたが、実用的な展開は数十年残っています。一方、HTS材料は引き続き改善を続けています。YBCOテープの重要な電流は過去10年間に10倍増加し、製造コストは半分に減少しました。この軌跡では、ターボポンプを完全に超伝導することで、次の10〜15年以内に従来の設計とコスト競争力のあるものになることができます。

経済・環境のメリット

ターボポンプを直接超伝導させることにより、重量の節約と効率性の向上は、輸送およびエネルギーの燃料消費量と炭素排出量を削減します。 大型の起動車両では、ターボポンプの質量の30%削減は、数メートルトンでペイロード容量を増加させ、キログラム当たりのコストを軌道に下げることができます。 地上発電所では、より高いポンプ効率は、熱として無駄にされたエネルギーを削減し、操業コストを削減し、環境への影響を削減することができます。

コンテンツ

過電導材料はもはや実験室の好奇心です — 彼らは、高性能ターボポンプの次世代のための実用的な有効化装置です。電気抵抗を排除することにより、体重を減らし、そしてより強い磁場を有効にすることによって、これらの材料は、より小さい、より軽く、そして慣習的な限界と可能なものよりも効率的にターボポンプを約束します。 冷媒、製造、システムに関連する課題は、継続的な研究および実証実験プロジェクトは急速にギャップを閉じています。 過負荷技術として、それは、それを達成し、エネルギーを成長させることができる。 高度な技術は、それを達成します。