Сверхпроводящий кабель-рекордсмен

Если все пойдет по плану, вскоре властям города Эссена предстоит принимать у себя представительную комиссию, отвечающую за пополнение и актуализацию Книги рекордов Гиннеса: дело в том, что в Эссене, в центре Рурской области, планируется проложить под землей самый длинный в мире сверхпроводящий кабель.

1911 год: низкотемпературная сверхпроводимость

Хотя явление сверхпроводимости было открыто более ста лет назад, широкого применения в технике оно пока не нашло и лишь сегодня начинает постепенно завоевывать такие отрасли промышленности как энергетика. Сверхпроводимость - это способность некоторых материалов при охлаждении ниже определенной температуры, именуемой критической температурой перехода, полностью утрачивать электрическое сопротивление и проводить электрический ток без потерь.

Долгое время науке были известны только сверхпроводники с крайне низкими критическими температурами перехода, лишь очень незначительно превышающими абсолютный нуль. Но поддержание столь низких температур требует использования капризного в эксплуатации жидкого гелия, что делает всю затею не только сложной, и чрезвычайно дорогой, поэтому о применении сверхпроводимости в технических устройствах не могло быть и речи.

1986 год: высокотемпературная сверхпроводимость

Однако четверть века назад был открыт новый класс соединений, переходящих в сверхпроводящее состояние при гораздо более высоких температурах. Это - металлооксидные керамики. В обычных условиях они вообще не проводят электрический ток, зато становятся сверхпроводниками при температурах, намного превышающих температуру кипения жидкого азота. Поскольку же жидкий азот гораздо проще в обращении и несравненно дешевле, чем жидкий гелий, использование высокотемпературных сверхпроводников в технике постепенно становится реальностью.

Важное преимущество сверхпроводящего кабеля перед стандартным медным состоит в практически полном отсутствии потерь при транспортировке электроэнергии. Важное, но не единственное. Профессор Маттиас Ноэ (Matthias Noe), научный сотрудник Технологического института в Карлсруэ, поясняет: "Помимо этого, сверхпроводник может обеспечить значительно более высокую плотность тока, нежели обычный медный проводник. Это чрезвычайно ценное свойство, если иметь в виду сферу энергетики. Трансформаторы, генераторы и кабели в сверхпроводящем исполнении будут намного компактнее, эффективнее и экономичнее обычных".

Главные недостатки - сложность и дороговизна

Конкретно, через сверхпроводящий кабель можно пропустить в пять раз больше электроэнергии, чем через медный кабель того же сечения. Правда, нельзя не признать, что сверхпроводящий кабель - гораздо более сложное и дорогое устройство. Оно представляет собой многослойную коаксиальную конструкцию: внутренней осью служит трубка, по которой циркулирует жидкий азот, затем, если кабель предназначен для трехфазного тока, идут три слоя керамических сверхпроводников, разделенные слоями изоляции, потом - нейтральный провод, поверх него - еще одна трубка с жидким азотом, а поверх нее - вакуумная теплоизоляция по принципу термоса и наружная оболочка.

Используя такие сверхпроводящие кабели, энергетики смогут обойтись более низким напряжением и вместо высоковольтных линий электропередачи (110 киловольт) строить линии среднего напряжения (10 киловольт). А это, в свою очередь, позволит отказаться от возведения понижающих трансформаторных подстанций, что в густо населенных городах особенно важно, подчеркивает профессор Ноэ: "Одна такая распределительная подстанция в центре города требует помещения размером с большой физкультурный зал. Благодаря сверхпроводящим линиям электропередачи мы сможем избавиться от этих громоздких сооружений. Взамен нам понадобятся только охладительные установки, но они гораздо компактнее - примерно с гаражный бокс на две машины".

Параллельные испытания в Эссене и Карлсруэ

Но это все - теория. Чтобы проверить концепцию на практике, Технологический институт в Карлсруэ совместно с немецким энергетическим концерном RWE и французской компанией Nexans - крупнейшим в мире производителем кабелей - разработал проект под названием AmpaCity. Цель - прокладка в центре Эссена между двумя трансформаторными подстанциями подземного сверхпроводящего кабеля среднего напряжения взамен стандартного высоковольтного. "Это будет самая протяженная в мире сверхпроводящая линия электропередачи - длиной в километр", - говорит профессор Ноэ. Она оттеснит на второе место нынешнего рекордсмена - кабель длиной в 600 метров в Нью-Йорке.

Эссенская трехфазная линия рассчитана на мощность 40 мегаватт и напряжение 10 киловольт, рабочая тепмература - минус 180 градусов Цельсия. Укладка кабеля должна быть завершена к концу 2013 года. А затем параллельно с полевыми испытаниями линии в Эссене начнутся лабораторные опыты в Карлсруэ. Здесь построен специальный стенд для экспериментов на коротком, длиной всего в 2 метра, отрезке такого же кабеля. Это позволит выяснить целый ряд вопросов, ответы на которые едва ли сможет дать пробная эксплуатация линии в Эссене: например, как поведет себя сверхпроводящий кабель в условиях перегрузки.

Пять гаражных боксов вместо пяти спортзалов

Программа испытаний рассчитана на два года. А по ее результатам будет принято решение, имеет ли смысл заменять и другие медные кабели сверхпроводящими, говорит профессор Ноэ: "Мы провели исследование на тему, как нам модифицировать энергетическую сеть Эссена, чтобы с максимальным эффектом использовать преимущества сверхпроводящих кабелей. Исследование показало, что мы могли бы избавиться от пяти трансформаторных подстанций, проложив чуть больше двадцати километров сверхпроводящего кабеля".

Что ж, пять двухместных гаражных боксов вместо пяти физкультурных залов - заманчивая перспектива. Но чтобы она стала реальностью, предстоит решить одну весьма сложную задачу: значительно упростить и удешевить производство сверхпроводящих кабелей.

О каких еще научных открытиях и технических проектах вы хотели бы прочитать на нашем сайте? Наш адрес: feedback.russian@dw.de