Бесконтактная передача энергии

Команда учёных, которую возглавляют физики Кристоф Утшик (Christoph Utschick) и профессор Рудольф Гросс (Rudolf Gross) из Мюнхенского технического университета (Technical University of Munich - TUM), успешно изготовила катушку из сверхпроводников, способную передавать мощность порядка более пяти киловатт бесконтактным образом и с малыми потерями. Широкий диапазон потенциальных областей применения этого инновационного продукта включает автономные промышленные роботы, медицинское оборудование, транспортные средства и даже воздушные суда.

Бесконтактная передача энергии уже является основной технологией в случае зарядки небольших устройств, таких как мобильные технологии и электрические зубные щётки. Потребители также хотели бы, чтобы эта технология стала доступной и для крупногабаритных электрических машин, таких как промышленные роботы, медицинское оборудование и электрические транспортные средства.

Такие устройства, когда они не используются, можно было бы устанавливать на станции зарядки. Тогда можно было бы эффективно использовать даже короткие перерывы в работе устройств для подзарядки их батарей. Однако существующие системы передачи для высокоэффективной зарядки в диапазоне нескольких киловатт достаточно тяжёлые и крупногабаритные, так как они основаны на медных обмотках трансформаторов.

Учёные из Мюнхенского технического университета смогли создать катушку со сверхпроводящими проводами, способную передавать более пяти киловатт без существенных потерь, работая в сотрудничестве с компанией Würth Elektronik eiSos, одним из ведущих производителей электронных и электромеханических компонентов в Европе, и компанией Theva Dünnschichttechnik, специализирующейся в области покрытий для сверхпроводников.

Учёным предстояло решить проблему потерь переменного тока в сверхпроводниках. Незначительные потери переменного тока также имеют место в сверхпроводящих передающих катушках. Эти потери возрастают при увеличении качества передачи, с решающим влиянием на температуру поверхности сверхпроводника, которая увеличивается, и прекращается явление сверхпроводимости. Учёные разработали специальную конструкцию катушки, в которой отдельные витки катушки отделены друг от друга с помощью разделителей. Это приводит к значительному сокращению потерь переменного тока в катушке. В результате становится возможной передача мощности в несколько киловатт.

В своём исследовании учёные использовали аналитическое и численное моделирование. Они выбрали такой диаметр катушки для своей экспериментальной модели, который обеспечил более высокую плотность тока, чем это возможно в имеющихся на рынке системах. Основная идея сверхпроводящих катушек состоит в достижении как можно более низкого сопротивления переменному току в наименьшем возможном расстоянии между витками обмоток (катушка должна иметь как можно более компактную форму).

В связи с этим исследователям нужно было преодолеть фундаментальное противоречие. Если сделать расстояние между витками сверхпроводящей катушки небольшим, катушка будет очень компактной, но будет существовать опасность прекращения явления сверхпроводимости во время её эксплуатации. С другой стороны, увеличение расстояний между витками приведёт к уменьшению плотности тока.

Для оптимизации расстояния между отдельными витками использовали аналитическое и численное моделирование. Это расстояние приблизительно равно половине ширины ленточного проводника. Теперь учёные намерены продолжать работу с целью дальнейшего увеличения передаваемой мощности. Если они преуспеют в этом, откроется возможность для большого числа очень интересных областей применения, например, использование этой технологии в промышленной робототехнике, автономных транспортных средствах и высокотехнологичном медицинском оборудовании. Можно представить даже электрические гоночные автомобили, которые будут подзаряжаться в динамическом режиме прямо на трассе, так же как и автономные электрические летательные аппараты. Однако для широкомасштабного применения этой системы всё ещё существует препятствие. Катушкам требуется постоянное охлаждение жидким азотом, а используемые охлаждающие сосуды не могут быть выполнены из металла. Стенки металлических сосудов будут достаточно сильно нагреваться в магнитном поле, подобно тому, как кастрюля нагревается на индукционной плите. В настоящее время ещё нет коммерчески доступного соответствующего криостата. Это означает, что потребуются дальнейшие серьёзные усилия по разработке системы. Но, как полагают немецкие учёные, достигнутые результаты свидетельствуют о большом прогрессе в области бесконтактной передачи высоких уровней мощности.

Партнёр по сотрудничеству, компания Würth Elektronik eiSos, финансировала продвижение этого проекта. Основные этапы исследования проводились в научно-исследовательском институте Вальтера-Майснера Баварской академии наук и гуманитарных наук (Walther-Meissner-Institute (WMI) of the Bavarian Academy of Sciences and Humanities). Используемые в исследовании сверхпроводники были предоставлены компанией Theva Dünnschichttechnik, образованной Техническим университетом Мюнхена.