Группа физиков Кристофа Утшика и профессора Рудольфа Гросса из Технического университета Мюнхена (TUM) успешно создала катушку из сверхпроводящих проводов, способных передавать мощность порядка пяти киловатт бесконтактным способом и с минимальными потерями. Широкий спектр потенциальных применений включает автономных промышленных роботов, медицинское оборудование, транспортные средства и даже летательные аппараты.

Бесконтактная передача энергии уже зарекомендовала себя как ключевая технология для зарядки небольших устройств, таких как мобильные телефоны и электрические зубные щетки. Пользователи также хотели бы видеть бесконтактную зарядку для более крупных электрических устройств, таких как промышленные роботы, медицинское оборудование и электромобили.

Эти устройства можно было бы размещать на зарядной станции всякий раз, когда они не используются. Это позволило бы эффективно использовать даже короткие периоды простоя для подзарядки аккумуляторов. Однако существующие в настоящее время системы передачи для высокопроизводительной зарядки в диапазоне киловатт и выше являются большими и тяжелыми, поскольку они основаны на медных катушках.

В сотрудничестве с компаниями Würth Elektronik eiSos и Theva Dünnschichttechnik, специализирующейся на сверхпроводящих покрытиях, группа физиков под руководством Кристофа Утшика и Рудольфа Гросса создала катушку со сверхпроводящими проводами, способную передавать бесконтактную энергию порядка пяти киловатт (кВт) без существенных потерь.

Снижение потерь переменного тока в сверхпроводниках:
для достижения этой цели исследователям пришлось преодолеть сложную задачу. Небольшие потери переменного тока также возникают в сверхпроводящих передающих катушках. Эти потери увеличиваются с повышением эффективности передачи, оказывая решающее влияние: температура поверхности сверхпроводящих проводов повышается, и сверхпроводимость резко падает.

Исследователи разработали специальную конструкцию катушки, в которой отдельные витки разделены друг от друга прокладками. «Этот прием значительно снижает потери переменного тока в катушке, — говорит Кристоф Утшик. — В результате становится возможной передача энергии в диапазоне киловатт».

Оптимизация с помощью аналитических и численных симуляций.
Команда выбрала для своего прототипа такой диаметр катушки, который позволил достичь плотности мощности выше, чем это возможно в коммерчески доступных системах. «Основная идея сверхпроводящих катушек заключается в достижении минимально возможного сопротивления переменному току в минимально возможном пространстве обмотки и, таким образом, компенсации сниженной геометрической связи», — говорит Утшик.

Это заставило исследователей разрешить фундаментальный конфликт. Если бы расстояние между витками сверхпроводящей катушки было малым, катушка получилась бы очень компактной, но существовал бы риск коллапса сверхпроводимости во время работы. С другой стороны, большее расстояние привело бы к снижению плотности мощности.

«Мы оптимизировали расстояние между отдельными витками, используя аналитические и численные модели», — говорит Утшик. «Расстояние приблизительно равно половине ширины проводника ленты». Теперь исследователи хотят работать над дальнейшим увеличением передаваемой мощности.

Перспективные области применения:
В случае успеха откроются двери для множества захватывающих областей применения, таких как промышленная робототехника, беспилотные транспортные средства и высокотехнологичное медицинское оборудование. Утшик даже предполагает создание электрических гоночных автомобилей, которые можно будет динамически заряжать на трассе, а также автономных электрических летательных аппаратов.

Однако широкомасштабное применение системы по-прежнему сталкивается с препятствием. Катушки требуют постоянного охлаждения жидким азотом, а используемые охлаждающие сосуды не могут быть изготовлены из металла. В противном случае стенки металлических сосудов значительно нагревались бы в магнитном поле, подобно кастрюле на индукционной плите.

«В настоящее время на рынке нет криостата такого типа. Для его создания потребуются значительные усилия по разработке», — говорит Рудольф Гросс, профессор технической физики Мюнхенского технического университета и директор Института Вальтера-Мейсснера Баварской академии наук и гуманитарных наук. «Но достигнутые на данный момент результаты представляют собой важный шаг вперед в области бесконтактной передачи энергии на высоких уровнях мощности».

Публикация:

Кристоф Утшик, Джем Сом, Ян Соук, Вейт Гроссе, Федор Гёмёри и Рудольф Гросс.
Сверхпроводящая беспроводная передача энергии мощностью более 5 кВт с высокой плотностью мощности для промышленного применения и быстрой зарядки аккумуляторов.
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2 февраля 2021 г.
Ссылка: https://ieeexplore.ieee.org/document/9345521

Дополнительная информация:

Партнер по сотрудничеству, компания Würth Elektronik eiSos, определила тему и профинансировала промышленное продвижение, лежащее в основе данной публикации. Основная часть исследований проводилась в Институте Вальтера-Мейсснера (WMI) Баварской академии наук и гуманитарных наук. Высокотемпературные сверхпроводники были предоставлены компанией Theva Dünnschichttechnik, дочерней компанией Технического университета Мюнхена.