«Капсулу» – в жидкий гелий

Нет, не получилось из конденсатора полноценной «энергетической капсулы». Ну ничего, ведь электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда, – при движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается.

Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к аккумуляторной батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того, чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки тогда, когда питание от батареи уже не поступало? Похоже, эта энергия накапливалась в магнитном поле в то время, когда лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита.

Итак, вот он – очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель.

Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все бОльшая и бОльшая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но… от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита!

Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, – вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление?

Мне не хотелось идти в библиотеку, однако я пересилил себя. Зато потом в читальном зале я просидел до самого закрытия и нашел не только ответ на свой вопрос, но и множество других полезных сведений.

Еще в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры, превышающей абсолютный нуль на 4,1 градуса, она полностью теряет свое электрическое сопротивление. Причем резко, скачком. Так же, как и ртуть, теряли сопротивление свинец, алюминий, олово, цинк и ряд других металлов. Явление это было названо сверхпроводимостью. В кольце из такого сверхпроводника ток мог «крутиться» сколько угодно, сохраняя энергию магнитного поля. Беда лишь в том, что даже при небольшом возрастании тока или внешних магнитных полей перечисленные металлы утрачивали свойство сверхпроводимости.

В течение полувека эти сверхпроводники, названные сверхпроводниками первого рода, практического применения не нашли. Но в 1961 году советские ученые предсказали возможность создания более совершенных сверхпроводников второго рода, а американские специалисты испытали такой сверхпроводник – проволоку из сплава ниобия с оловом, а затем ниобия с титаном. Через проволоку пропускали громадные токи, вокруг нее создавали гигантские магнитные поля, и ничего ей не делалось, свойство сверхпроводимости оставалось.

В кольце из сверхпроводника второго рода можно запасать и хранить без потерь очень большую энергию; в таком кольце ее примерно в семь раз больше, чем в равной по объему батарее конденсаторов.

Конечно, кольцо это держат не при комнатной температуре, его помещают в специальный термос для хранения холодных жидкостей – криостат. В криостат заливают жидкий гелий при температуре, близкой к абсолютному нулю. Чтобы жидкий гелий испарялся не слишком сильно, его окружают так называемым азотным экраном. Азотный экран – это слой жидкого азота поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорогого гелия.

Одна из первых моделей такого накопителя была испытана в 1970 году. В сверхпроводящем «электромагните» – соленоиде – была накоплена энергия в 10 кДж. Плотность энергии накопителя составляла около 40 кДж/кг.

До какого же предела можно «накачивать» энергию в сверхпроводящий магнит? Оказывается, этот предел диктует не что иное, как… механическая прочность.

Вот уж чего я не ожидал! Коварство сверхпроводящего кольца с током заключается в том, что магнитное поле, развиваемое им, воздействует прежде всего на само кольцо. Как в электромоторе магнитное поле, действуя на обмотки, вращает вал, так и в сверхпроводящем кольце магнитные силы пытаются разорвать его. А поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то силы, разрывающие кольцо, очень велики. Сплавы же ниобия, из которых изготовляют проволоку для кольца, увы, совсем непрочны. Куда им до стальных или синтетических материалов! Эта недостаточная механическая прочность и является досадной причиной, сдерживающей «накачку» сверхпроводника током, а значит, и получение энергии высокой плотности.

Ученые в своих проектах отдают предпочтение гигантским сверхпроводящим накопителям. И у них есть на то веские основания. Известно, что площадь поверхности какого-либо тела пропорциональна квадрату его размеров, а объем – кубу. С увеличением размеров увеличивается отношение объема к площади поверхности. Для сверхпроводящих накопителей это имеет немаловажное значение. От объема криостата зависит величина обмотки накопителя и, следовательно, количество запасаемой энергии, а от площади – интенсивность испарения содержащихся в нем жидких холодных газов – гелия, азота. Чем больше объем и меньше поверхность криостата, тем экономичнее накопитель.

Сверхпроводящий накопитель требует значительного числа вспомогательных устройств, обслуживающих его во время работы. Это и холодильные установки, и системы обеспечения энергией для управления, выпрямительные станции, преобразователи и многое, многое другое. Конечно, все это окупается лишь в очень крупном накопителе.

Японские ученые подсчитали, например, что сверхпроводящие накопители становятся выгодными лишь тогда, когда запас энергии в них превышает 1 млн МДж. Масса такого накопителя достигла бы десятков тысяч тонн. А пока самые крупные сверхпроводящие накопители в России способны запасать только сотни мегаджоулей, причем обмотки у них весят сотни тонн. Чуть больше подобные накопители за рубежом.

Какими же видятся ученым сверхпроводящие накопители будущего?

В одном из проектов французских специалистов это гигантский криостат-бублик диаметром 136 м и высотой свыше 20 м. Сечение обмотки – 17 м. Криостат заполняют жидким гелием, предусмотрен и азотный экран. Кольцо из сверхпроводника заключают в медные или алюминиевые оболочки и усиливают прочными бандажами. В обмотке течет ток в 140 кА (килоампер), а плотность тока достигает огромной величины – 3 кА на 1 мм сечения обмотки! В таком гиганте может аккумулироваться до 10 млн МДж энергии.

Чтобы было ясно, насколько это много, напомню, что всего 25 МДж нужно автомобилю для прохождения пути в 100 км. Если даже пробег автомобиля увеличить до 400 км, что примерно равно дневному пробегу такси, то энергии накопителя хватит для питания 100 тыс. такси в день! Эта энергия, накопленная ночью, позволила бы устранить дневные перегрузки всех электростанций такой большой страны, как Франция.

Сверхпроводящий накопитель в разрезе

Немецкие ученые спроектировали накопитель диаметром 250 м и высотой 50—70 м. Криостат с жидким гелием и помещенной в него обмоткой из титан-ниобиевого сплава упрячут под землю. Под стать размерам и предполагаемая энергия накопителя. В своем проекте немецкие ученые собираются применить интересное новшество – огромные нагрузки, действующие на обмотку, они намерены частично «переложить» на грунт, в который будет зарыт накопитель. Специальные распорки должны будут «упираться» в корпус криостата, а он, в свою очередь, – в окружающие его породы.

Проекты эти, конечно, впечатляют, кажутся чуть ли не фантастикой. И если вдуматься, привлекательны они пока только на бумаге. Слишком много в них уязвимых мест.

Взять хотя бы поддержание сверхнизких температур в криостатах, масса которых миллионы тонн, а объем – десятки миллионов кубометров. Где достать столько жидкого гелия? Чем восполнить расход на его непрерывное испарение? Кроме того, очень сложны выводы тока из накопителей – они ведь тоже должны быть сверхпроводниками, то есть находиться при температурах, близких к абсолютному нулю, а это трудно выполнить. Зарядка и разрядка таких накопителей производится только постоянным током, а промышленности нужен ток переменный.

Но это еще куда ни шло, дальше совсем плохо. Чтобы корпус накопителя равномерно упирался в грунт, распорки надо проложить внутри криостата, в жидком гелии. Однако тогда сильно возрастет приток тепла в криостат, что вызовет дополнительное испарение жидкого гелия! Огромные магнитные поля, возникающие вокруг гигантских сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Природа «привыкла» к действию весьма слабых полей земного магнетизма и чутко реагирует на их изменение. А тут вдруг в жизнь природы «вмешаются» магнитные поля в миллионы раз сильнее!

И наконец, представим, что случится, если сверхпроводник вдруг разорвется или потеряет свойство сверхпроводимости. А это не исключено. Достаточно чуть-чуть подняться температуре жидкого гелия, и вся колоссальная энергия накопителя выделится почти мгновенно. Спасут ли положение специально предусмотренные медные обмотки, по которым должен пойти ток в случае аварии, – неизвестно.

Возможно, специалисты найдут решение перечисленных проблем, тогда уже в недалеком будущем подобные накопители станут реальным хранилищем энергии. Кое-что сделано уже сегодня – получены сверхпроводники, способные работать при гораздо более высоких – «азотных» – температурах. Прилагаются немалые усилия, чтобы отыскать такие материалы, чьи сверхпроводящие свойства проявлялись бы при комнатных температурах. Но как бы ни развивалось данное направление энергетики, задача создания простой, емкой, надежной «энергетической капсулы», которую к тому же можно было бы разместить на автомобиле, по-прежнему остается чрезвычайно актуальной. Ведь сверхпроводящие гиганты совершенно непригодны в качестве источника энергии для автомобиля.