Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин

создание сверхпроводящих магнитов, для замены разработанных ещё в XIX веке электромагнитов, основанных на использовании обычных металлов, ведь все данные указывали на то, что сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества.

В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году специалистами General Electric был создан первый крупный сверхпроводящий магнит, мощность генерируемых полей которого достигала 10 Тл.

Научно-технический успех был очевиден, а вот экономика «хромала». Первый сверхпроводящий электромагнит оказался бесповоротно убыточным. Во-первых, стоимость создания возросла с предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долларов до 200 тыс. Тем не менее это нисколько не помешало молодым инновационным компаниям вступить в гонку за индуктивностью полей с 1970-х годов.

Основой стало понимание того, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, ведь с увеличением этого значения ускорялась и потеря сверхпроводимости. В то время, собственно, одна из тех самых молодых и инновационных компаний Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит, который генерировал поле с индукцией 12 Тл и применялся для различных работ по материаловедению.

Правда, это всё ещё было далеко от обычных электромагнитов, которые к концу 1970-х без особых проблем генерировали поля с индукцией до 23,4 Тл.

Ближе к середине 1980-х годов мощности сверхпроводящих магнитов, наконец, превысили показатели электромагнитов. В 1986 году та же Toshiba, поместив обычный резистивный электромагнит внутрь сверхпроводящего (создав, по сути, гибридный), добилась индукции величиной 31 Тл.

Само собой, встал вопрос коммерциализации, и большинство компаний ринулись в медицину. Так и появилась магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, которая выдаёт намного более чёткую диагностику, чем даже не так давно появившаяся технология компьютерной томографии и тем более рентгенография.

К чему всё идёт?

Провода на высокотемпературных сверхпроводниках

Как только учёные достаточно хорошо описали явление сверпроводимости, инженеры и бизнесмены начали думать о том, как на его основе создать технологию передачи тока на большие расстояния, ведь обыкновенные высоковольтные линии мало того что занимают слишком много места, которое не особо-то пригодно для какой-либо иной деятельности, так ещё и приводят к потере почти 10 % передаваемой энергии, а это всё деньги.

Понятное дело, что сверхпроводники первого рода (чистые металлы) не подходили для того, чтобы делать из них провода, по целому ряду причин, а когда появились сверхпроводники второго рода, встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий, да и вообще вся эта система.

Только в 1986 году была открыта так называемая высокотемпературная сверхпроводимость, но и она началась со сверхпроводников, которые работали при температуре около –243,15 °C, хоть это и позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот. Даже если бы было принято решение попробовать внедрить такую технологию, потребовалось бы решить вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (хоть и вроде как высокую) температуру, на очень больших отрезках.

В целом эти разработки продолжаются сегодня в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США, но по-прежнему всё огранивается проектами по созданию сверхпроводящих кабелей длиной 1–10 км.

Высокоскоростной транспорт

Тут практическая польза оказалась куда более заметной. Ещё в начале 1970-х годов был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта и железнодорожной станцией города Бирмингема (проработал до 1995 года).

Суть технологии максимально проста: включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных – притягивает. Электромагнитное поле удерживает состав над дорожным полотном, оно же толкает его вперёд, ведь благодаря быстрому попеременному включению магнитов создаётся постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Поскольку трение в данном случае полностью отсутствует, маглевы способны разгоняться до 500–600 км/ч.

Всё бы ничего, вот только технология эта убыточна. Согласно открытым данным, шанхайский маглев-аэроэкспресс, который в коммерческой эксплуатации находится с 2004 года, приносит ежегодный убыток в 93 млн долларов.

Прежде чем перейти к термоядерным реакторам, с которых начался рассказ про сверхпроводники, стоит отметить, что эта технология вполне может найти применение непосредственно в ракетно-космической отрасли, ведь в ней даже дорогой проект вроде создания космического маглева может привести к удешевлению доставки грузов на орбиту.

В космос на левитирующем поезде

Довольно часто можно услышать, что «химические двигатели себя изжили», поэтому человечеству нужен новый способ отправки в космос. Так считает и Джеймс Пауэлл, основатель проекта Startram, «космического поезда» (или «космического трамвая»), по словам которого благодаря маглеву космос станет настолько доступен, что в нём каждый год смогут побывать до 4 млн человек, а отправка грузов вообще станет чуть ли не дешевле, чем почтой. Первая полноценная отправка полезной нагрузки ожидается в 2032 году.

«Космические поезда» должны будут передвигаться по гигантскому магнитному вакуумному тоннелю, выход с плазменным окном (для удержания вакуума) из которого будет располагаться на высоте порядка 20 км. Скорость такого состава, согласно расчётам, сможет достигать фантастических 32 000 км/ч. Для выхода путешественников предназначено плазменное окно, находящееся в верхней части конструкции.

По словам создателя концепции, грузовая модификация Startram потребует инвестиций порядка 20 млрд долларов, что в общем-то совсем немного. К тому же, по словам Пауэлла, проект быстро окупится, так как стоимость доставки грузов на орбиту в итоге упадёт до 40 долларов за килограмм.

Разумеется, есть и вопросы к проекту, самый большой из которых касается отправки на орбиту людей в таком «поезде». Ускорение будет приводить к перегрузкам в 30 g, которые не выдержит ни один человек, а для достижения приемлемых 2–3 g потребуется создать тоннель пассажирского поезда протяжённостью в 1 500 км, с выходом на высоте около 270 км, то есть уже на орбите (зато с вакуумом проблем почти не будет).

Помимо прочего, расчёты скептиков показывают, что для такого проекта потребуется довольно мощный источник питания, создание которого приведёт к удорожанию проекта в 3 раза – до 60 млрд долларов, на что Пауэлл отвечает, что лунная программа США стоила намного дороже, а тут речь о серьёзном удешевлении доставки грузов на орбиту Земли (повторюсь, 40 долларов за килограмм против, скажем, 2 500 долларов, которые берёт Space X). А по поводу источника энергии Пауэлл говорит просто: «Он у нас под рукой – это солнечная энергия». Об этом чуть ниже.

К слову, китайцы совсем недавно представили проект космического транспортного средства, запускаемого, судя по всему, с помощью электромагнитной катапульты. После запуска на определённой высоте включается двигатель, с помощью которого транспортное средство выходит в суборбитальное пространство. Посадка осуществляется по «самолётному» типу. Подробностей немного, но важен сам факт того, что работа в этом направлении уже ведётся.

Термоядерные реакторы

Разумеется, специалисты, разрабатывающие термоядерные реакторы, ждут прорыва в области