Изучение использования сверхпроводников в магнитных левитирующих системах движения

Сверхпроводники представляют собой один из самых преобразующих классов материалов в современной физике, предлагая свойства, которые бросают вызов классическим ожиданиям. При охлаждении ниже характерной критической температуры эти материалы теряют все электрическое сопротивление и активно изгоняют магнитные поля - двойное поведение, которое делает их уникальными для передовых систем питания и движения. Нигде этот потенциал не проявляется более ярко, чем в транспортировке магнитной левитации (магнитного) транспорта, где сверхпроводящие магниты позволяют транспортным средствам плавать над направляющим и ускоряться до скоростей, превышающих 600 км / ч, с минимальными потерями энергии. Сочетание нулевого сопротивления и стабильной левитации обещает будущее, где наземные путешествия конкурируют с авиацией в скорости при сокращении потребления энергии и требований к техническому обслуживанию. В этой статье исследуется физика сверхпроводников, их интеграция в двигатель маглева, текущее состояние техники и технические проблемы, которые все еще стоят между этими системами и глобальным принятием.

Основы сверхпроводимости

Сверхпроводимость — это квантово-механическое явление, впервые наблюдаемое Хайке Камерлингом Оннесом в 1911 году, когда он заметил, что ртуть внезапно потеряла всякое сопротивление примерно на 4,2 градуса выше абсолютного нуля (−269 °C). С тех пор было обнаружено огромное семейство сверхпроводящих материалов, включая элементарные металлы, сплавы и сложную оксидную керамику. Их определяющие свойства проявляются только ниже критической температуры (T_]c), критического магнитного поля (H_c) и критической плотности тока (J_c). Превышение любого из этих порогов разрушает сверхпроводящее состояние и возвращает материал к нормальной проводимости.

Нулевое электрическое сопротивление

В сверхпроводнике электроны соединяются в пары Купера — связанные состояния, опосредованные решетчатыми вибрациями (фононами) или другими механизмами. Эти пары конденсируются в коллективное квантовое основное состояние, которое позволяет им течь без рассеяния. Результатом является совершенная проводимость постоянного тока: как только ток инициируется в замкнутой сверхпроводящей петле, он сохраняется бесконечно без какого-либо источника питания. Эта способность постоянного тока является краеугольным камнем сверхпроводящих магнитов, позволяя им создавать сильные, стабильные магнитные поля без непрерывного ввода энергии. Для систем маглева это означает, что бортовые магниты могут поддерживать свое поле в течение нескольких часов или даже дней после первоначальной энергии, резко уменьшая электрические потери.

Эффект Мейснера

Не менее важным является эффект Мейснера, открытый Вальтером Мейсснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году. Когда материал переходит в сверхпроводящее состояние, он активно изгоняет любое магнитное поле из его недр, независимо от того, применялось ли поле до или после охлаждения. Этот совершенный диамагнетизм создает сильную отталкивающую силу, когда сверхпроводник помещается рядом с магнитом — основа для магнитной левитации без трения. В практических конструкциях маглева эффект Мейснера (и связанное с ним прижимание потока в сверхпроводниках типа II) обеспечивает стабильную суспензию без активной обратной связи, что является основным преимуществом по сравнению с обычными системами электромагнита.

Критические температуры и типы материалов

Сверхпроводники делятся на две широкие категории в зависимости от их критической температуры. Низкотемпературные сверхпроводники (LTS) , такие как ниобий-титан (NbTi) и ниобий-тин (Nb3Sn), требуют охлаждения до температуры жидкого гелия (около 4,2 К, -269 °C). Эти материалы хорошо понятны и механически прочны, что делает их рабочими лошадками существующих крупномасштабных магнитных систем, включая магниты, используемые в испытательном треке JR-Maglev в Японии.

Высокотемпературные сверхпроводники (HTS), обнаруженные в 1986 году Беднорзом и Мюллером, имеют значения T_cccc[[YBCO]], работающие при температуре 92 К — выше точки кипения жидкого азота (77 К). Более поздние материалы, такие как ленты из оксида меди стронция синтия (BSCCO) и оксида меди с редкоземельным барием (REBCO), предлагают еще более высокую производительность, позволяя магнитам, которые могут работать на более дешевых, более практичных криогенах. Эти материалы HTS являются керамическими, что делает их хрупкими и более трудными для изготовления в длинные провода, но современные технологии производства (например, покрытые проводники) начали преодолевать эти барьеры. Их способность работать при более высоких температурах и в более высоких магнитных полях делает HTS ведущим кандидатом для систем

Принципы магнитного левитации

Магнитная левитация использует магнитные силы для подъема, наведения и движения транспортного средства без физического контакта с направляющим. Существуют два фундаментальных подхода: Электродинамическая подвеска (EDS) и Электромагнитная подвеска (EMS) . Оба могут извлечь выгоду из сверхпроводящих компонентов, хотя они используют сверхпроводимость по-разному.

Электродинамическая подвеска (EDS)

EDS полагается на отталкивающие силы, генерируемые относительным движением между магнитами на транспортном средстве и проводящими катушками или пластинами в пути. Когда транспортное средство движется, изменение магнитного потока вызывает вихревые токи в катушках пути, создавая магнитное поле, которое противостоит полю транспортного средства - создание подъема и боковой стабильности. EDS по своей сути стабильна на высоких скоростях (подъем увеличивается со скоростью), но для работы на низкой скорости требуется вспомогательные колеса или убирающиеся заносы, потому что не создается подъемник, когда транспортное средство неподвижно. Система JR-Maglev в Японии использует EDS со сверхпроводящими магнитами на борту (низкотемпературные катушки NbTi). Трасса оснащена катушками с фигурой восемь, сделанными из нормальных проводников. По мере прохождения поезда, индуцированные токи в этих катушках левитируют и направляют поезд. Сверхпроводящие магниты производят поля до 5 Т с незначительными омическими потерями, что позволяет получить большой клиренс (около 10 см) и высокую

Электромагнитная подвеска (EMS)

EMS использует притягивающие магнитные силы между электромагнитами на транспортном средстве и ферромагнитными рельсами на направляющем пути. Магниты постоянно регулируются системой управления для поддержания небольшого зазора (обычно 8-15 мм). В то время как этот метод работает с нуля, он требует активной стабилизации - силы притяжения по своей сути нестабильны без обратной связи. Обычные системы EMS (например, Shanghai maglev, Transrapid) используют медно-раневые электромагниты, которые потребляют значительную мощность. Сверхпроводящие электромагниты могут значительно уменьшить эти потери, но небольшой зазор и зависимость от обратной связи остаются конструктивными ограничениями. Некоторые исследовательские концепции предлагают использовать катушки HTS в EMS для достижения более сильного подъема на ампер и снижения веса бортовой магнитной системы.

Роль сверхпроводников в обеих системах

В системах ЭЦП сверхпроводники обеспечивают сильные, устойчивые магнитные поля, необходимые для эффективной передачи энергии в катушки трека. Обычные магниты потребуют больших токов и активного охлаждения для рассеивания резистивного тепла, отрицая преимущества левитации. В ЭМС сверхпроводники могут заменять медные электромагниты для достижения более высоких магнитных сил без резистивных потерь, потенциально допуская большие зазоры зазора или снижение веса магнита. Однако криогенное оборудование, необходимое на каждом транспортном средстве, добавляет вес и сложность, которые должны быть компенсированы улучшенной производительностью. Продвинутое состояние JR-Maglev демонстрирует, что ЭЦП с LTS является осуществимым и конкурентоспособным, в то время как исследования HTS направлены на упрощение криогеники и снижение затрат на жизненный цикл.

Сверхпроводящие магнитные системы в движении Маглева

Полная двигательная система маглева состоит из двух основных функций: левитации (подъем транспортного средства) и линейной тяги (ускорение и торможение). Оба могут приводиться в движение сверхпроводящими компонентами. В JR-Maglev для движения используются также те же сверхпроводящие магниты, которые позволяют левитировать. Они взаимодействуют с серией трехфазных катушек вдоль направляющего, которые генерируют движущуюся магнитную волну, эффективно действуя как линейный синхронный двигатель (LSM). Сверхпроводящие магниты служат в качестве поля ротора, в то время как катушки трека действуют как статор. Поскольку магниты являются стойкими и производят сильное поле, LSM может достигать высокой тяги и эффективности в широком диапазоне скоростей.

Постоянный текущий режим

После того, как сверхпроводящие катушки подпитываются до нужного тока (обычно несколько сотен килоампер), цепь закрывается и ток циркулирует бесконечно, пока температура остается ниже T_c. Это устраняет необходимость постоянного питания магнитов на движущемся транспортном средстве — критическое преимущество перед резистивными электромагнитами. Поле остается стабильным, что упрощает управляющую электронику для катушек направляющего. В поезде JR-Maglev катушки охлаждаются жидким гелием и поддерживаются на уровне 4,2 К, а режим постоянного тока поддерживается на протяжении всего пути. Любой небольшой распад из-за остаточного сопротивления или ползучести потока периодически компенсируется во время планового технического обслуживания.

Криогенные требования

Сохранение магнитов в холоде является наиболее требовательным аспектом сверхпроводящих маглев. Для LTS-магнитов требуются бортовые криоохладители или девары жидкого гелия. Поезд JR-Maglev несет большую криогенную систему, которая включает в себя гелиевые компрессоры, холодильники и резервуары для хранения. Это добавляет вес, который должна поддерживать левитация, но преимущества сильных полей перевешивают штраф. Для HTS-магнитов, работающих при 30–77 К, допускают более простые, меньшие и более эффективные криоохладители. Однако HTS-ленты все еще сталкиваются с проблемами в потерях переменного тока при воздействии различных полей от катушек трека, которые могут вызывать местное нагревание. Исследователи разрабатывают проводники HTS с низким AC-потерей путем нитчатости ленты и транспонирования нитей, аналогичные методам, используемым в кабели LTS.

Преимущества использования сверхпроводников в системах Маглева

Интеграция сверхпроводников в магнитную силовую установку дает ряд неоспоримых преимуществ, выходящих за рамки простой энергоэффективности.

• Сниженное потребление энергии: При нулевых резистивных потерях в первичных магнитах общая электрическая энергия, необходимая для левитации и движения, резко падает. Потребляемая мощность ограничена преодолением аэродинамического сопротивления и подачей катушек направляющего (которые также имеют некоторые резистивные потери). КПД LSM может превышать 90% при использовании сверхпроводящих катушек поля.
• Более высокие скорости:] Более сильные магнитные поля позволяют создавать большие зазоры левитации и более эффективную тягу. Рекорд JR-Maglev в 603 км/ч демонстрирует, что сверхпроводящая EDS может выдерживать экстремальные скорости без использования компонентов. Более высокие скорости также означают более высокую пропускную способность на междугородних коридорах, что потенциально делает маглев конкурентоспособным с ближнемагистральными рейсами.
• Нижнее техническое обслуживание: Поскольку между поездом и направляющим нет физического контакта, механический износ рельсов, подшипников и колес устраняется. Сами сверхпроводящие магниты не требуют рутинной замены, такой как щетки или коммутаторы. Техническое обслуживание ограничено криогенной системой и электроникой направляющего, которые предназначены для высокой надежности.
• Улучшенная стабильность и качество езды: Эффект Мейснера и защемление потока обеспечивают внутреннюю боковую стабильность в системах EDS, снижая потребность в сложных активных элементах управления. Пассажиры испытывают очень плавную езду, свободную от вибраций и шума, типичных для систем стальных колес на рельсах. Этот комфорт является ключевым моментом для коммерческого внедрения.
• Экологические преимущества: Сверхпроводящие поезда маглева не производят прямых выбросов (они работают на электричестве), потребляют меньше энергии на пассажиро-километр, чем и самолеты, и обычные высокоскоростные железные дороги, и работают со значительно более низким уровнем шума из-за отсутствия контакта колеса с рельсами. Если электричество вырабатывается из возобновляемых источников, вся транспортная система может приблизиться к нулевым выбросам углерода.

Проблемы и технические трудности

Несмотря на очевидные преимущества, широкое развертывание сверхпроводящих магнитов сталкивается с рядом критических препятствий, как технических, так и экономических.

• Криогенная сложность и стоимость:] Для поддержания сверхпроводящего состояния требуется непрерывное охлаждение. Для систем LTS потребность в жидком гелии — конечном ресурсе, который становится все дороже — добавляет существенные эксплуатационные расходы. Бортовые криоохладители потребляют энергию, генерируют тепло и добавляют вес. Хотя HTS снижает это бремя, криоохладители по-прежнему составляют значительную долю от общей массы и стоимости транспортного средства.
• Бриттильность материалов HTS: Высокотемпературные сверхпроводники (например, YBCO, BSCCO) представляют собой керамику, которая трескается под напряжением. Изготовление длинных, гибких и механически прочных лент для больших магнитов является производственной задачей. В то время как технология проводников с покрытием улучшилась, необходимы дальнейшие разработки для удовлетворения стандартов надежности массового транзита.
• AC Потери: В двигателе маглева сверхпроводящие катушки испытывают изменяющиеся во времени магнитные поля от обмоток LSM трека. Эти поля переменного тока вызывают вихревые токи в серебряной матрице сверхпроводника или в слоях стабилизатора, генерируя тепло. Если не управлять этим теплом, это тепло может привести к гашению магнита (переход обратно в нормальное состояние). Проектирование катушек HTS с низкими потерями AC является активной областью исследований.
• Инвестиции в инфраструктуру: Строительство специального направляющего магистраля маглева чрезвычайно капиталоемко. Трасса должна быть построена с жесткими допусками, включать катушки LSM и силовую электронику и быть совместимой с криогенными системами поддержки. Существующие права на дорогу не могут быть легко преобразованы, ограничивая развертывание совершенно новыми коридорами. Проект Чуо Синкансен в Японии, который соединит Токио и Нагою с использованием технологии маглева LTS, несет ценник более 9 триллионов иен (около 60 миллиардов долларов США).
• Системы EDS требуют минимальной скорости для создания подъема, поэтому для запуска и остановки необходимы колеса или другие вспомогательные системы. Это добавляет сложность и вес. Системы EMS могут левитировать с нулевой скоростью, но потреблять энергию непрерывно. Ни одно из решений не идеально для пригородных линий на короткие расстояния, где происходят частые остановки.