Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Использование сверхпроводниковых устройств в космической отрасли

2012, Tом 9, выпуск 1
Тематика: ВТСП устройства, НТСП устройства

Сверхпроводимость – одно из тех физических явлений, возможности практического применения которого сложно переоценить. В настоящий момент существует большое количество различных проектов применения сверхпроводниковых устройств, разрабатываемых практически во всех развитых странах. Большая часть подобных разработок посвящена применению сверхпроводниковых устройств: в медицине и биологии (ЯМР-томографы и спектрометры высокого разрешения), в магнитах сильных полей для широкого спектра научных исследований и др. В последние годы в связи с развитием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) интенсивно ведутся разработки устройств для применения в электросетях: ЛЭП, трансформаторы, устройства ограничения тока короткого замыкания, накопители энергии. В настоящее время явление сверхпроводимости уже находит широкое применение. Однако существует ряд направлений, ориентированных на более далекую перспективу.

Речь идет о применении сверхпроводниковых устройств в космической отрасли. Первые работы в данной области датируются шестидесятыми годами прошлого века и посвящены решению целого ряда вопросов: «проблеме просветления плазмы», вопросам защиты экипажа и оборудования от воздействия ионизирующего космического излучения, проблемам эксплуатации кинетических накопителей энергии в условиях невесомости, вопросам создания электрореактивных двигателей и других.

Практически все вышеперечисленные проблемы, так или иначе, связаны с применением магнитных полей высокой напряженности. В связи с этим, основными сверхпроводниковыми устройствами, применяемыми в космической отрасли, были и остаются сверхпроводниковые магниты. Основными преимуществами сверхпроводниковых магнитов перед традиционными магнитами с той же индукцией являются малые габаритные размеры и вес. Поскольку условия космических полетов предполагают острый дефицит массы и рабочего пространства, минимизация размеров и веса оборудования является важнейшим критерием. Другим немаловажным фактором является малое энергопотребление сверхпроводникового магнита. Сверхпроводниковый магнит может работать в режиме «замороженного» потока, когда сразу после запитки от источника тока сверхпроводниковый соленоид замыкается сверхпроводниковым ключом, и ток в нем способен циркулировать до нескольких лет безо всякой внешней подпитки.

Поскольку рабочая температура сверхпроводникового магнита лежит в криогенной области, возникает необходимость обеспечить наличие на борту космического аппарата системы охлаждения, способной работать в условиях невесомости. Разработка и создание подобной системы представляет собой сложную инженерную задачу, фактически, это отдельное направление прикладной физики низких температур. Ряд основных проблем данного направления весьма обширен: обеспечение правильной циркуляции хладагента в условиях невесомости, минимизация теплопотерь, защита от воздействия теплового излучения и многое другое [1].

В последние годы широкое применение получили безжидкостные криогенные системы на основе криокулеров. Подобные системы применяются и в космической отрасли. Тем не менее, несмотря на очевидные преимущества безжидкостных систем, их использование в условиях невесомости не всегда допустимо, в основном из-за влияния двух факторов:

Можно сделать вывод, что, несмотря на развитие безжидкостных методов охлаждения, традиционные криогенные системы продолжают оставаться востребованными в космической отрасли, и данное направление физики низких температур не теряет своей актуальности.

Необходимо отметить, что перечисленные выше проблемы криогенного обеспечения являются общими для сверхпроводниковых устройств, предназначенных для использования в космосе. При этом спектр проблем, которые эти устройства призваны решать, весьма разнообразен. Рассмотрим подробнее основные направления космического использования сверхпроводниковых устройств.

Проблема просветления плазмы возникла вместе с первыми полетами на орбиту Земли. В момент входа космического аппарата в верхние слои атмосферы, вокруг него возникает плазменная оболочка, которая делает практически невозможной любую радиосвязь. Существует, однако, возможность управлять геометрией плазменного облака путем приложения магнитного поля достаточной напряженности. Таким образом, при наличии на борту космического аппарата электромагнита, становится возможным создать в плазменной оболочке область, прозрачную в радиодиапазоне.

Работы по созданию такого электромагнита и сопутствующих систем ведутся с середины шестидесятых годов прошлого века. Необходимо отметить, что первый в мире запуск сверхпроводникового магнита на околоземную орбиту был осуществлен  группой советских физиков из Курчатовского Института. Запуск был произведен в 1967 году [1]. За прошедшие годы было произведено множество запусков различных сверхпроводниковых магнитов, предназначенных для формирования плазменного облака. Возможным развитием тематики может быть перевод магнитных систем на высокотемпературные сверхпроводники.

Другой областью применения сверхпроводниковых устройств является создание эффективной защиты экипажа космического аппарата от ионизирующего излучения. Если на орбите ниже внутреннего пояса Ван Аллена (около 500 км над Атлантическим океаном) большая часть космического излучения экранируется магнитным полем Земли, то при удалении от нее, проблема биологической защиты экипажа встает в полной мере. Схожая проблема наблюдается для беспилотных космических аппаратов, поскольку интенсивное ионизирующее излучение вызывает нарушения в работе электроники из-за явления радиационной деградации материалов.

Спектр космических лучей более чем на 90% состоит из протонов. Малая доля приходится на альфа-частицы, еще меньшая – на ядра различных тяжелых элементов. Поскольку указанные частицы обладают зарядом, направление их потока может быть изменено магнитным полем. Соответственно, возможно создание практически полностью защищенной области внутри космического аппарата.

Исследования в данной области ведутся с начала шестидесятых годов прошлого века. На сегодняшний день опубликовано ряд статей, разработано несколько завершенных проектов систем защиты и запатентован ряд устройств [2,3]. Однако большая часть работ посвящена гипотетическим космическим перелетам, и полевых испытаний подобных систем защиты практически не проводилось. Это связано с тем, что орбита большинства искусственных спутников (в том числе и МКС) находится ниже внутреннего пояса Ван Аллена, и потребности в подобных системах защиты невелики – сказывается экранирующий эффект магнитного поля Земли. Тем не менее, в случае дальних перелетов проблему космического излучения нельзя недооценивать. Особенно это относится к перелетам в период возрастающей солнечной активности. Согласно отчету Центра Анализа Данных по Влиянию Солнца при Бельгийской Королевской Обсерватории, на 2010 год пришелся очередной минимум солнечной активности (последний максимум зарегистрирован в 2000 году). Если учесть тот факт, что среднее время между максимумами составляет 10 – 12 лет [4], а также увеличение числа вспышек на Солнце за последний год, можно сделать вывод, что в ближайшие десять лет солнечная активность будет существенным образом возрастать, при этом текущий максимум придется, ориентировочно, на 2021 год. Таким образом, исследования по вопросу магнитной защиты от космического излучения в ближайшем будущем могут получить дальнейшее развитие, особенно в свете возросшего интереса мировой научной общественности к перспективам полета человека на Марс и Луну.

Еще одним, важным для астрофизики и физики высоких энергий, направлением является создание размещенных в космосе детекторов элементарных частиц, магнитное поле в которых создается сверхпроводниковыми магнитами. Прямое орбитальное наблюдение является очень важным для физики элементарных частиц: в частности, существование позитронов и мюонов было экспериментально подтверждено именно благодаря наблюдению космических лучей. Исследования в этой области ведутся не одно десятилетие. В 1967 году на Всесоюзной конференции по физике космических  лучей в Новосибирске сотрудниками Курчатовского Института был сделан доклад «О возможности использования сверхпроводниковых магнитов для анализа состава космических лучей» [5]. В 1969 году тем же научным коллективом был сделан доклад «Использование сверхпроводниковых магнитных систем для анализа потоков электронов и позитронов в первичном космическом излучении» на Всесоюзной конференции по физике низких температур в Тбилиси [6].

Наиболее крупным проектом в этом направлении на сегодняшний день является создание в США сверхпроводникового магнитного спектрометра (AMS) предназначенного, помимо исследования состава космических лучей, для поиска антиматерии. Первая версия подобного детектора, без использования сверхпроводниковых магнитов, была установлена на орбитальной станции «Мир» в 1998 году. Вторая версия, также без сверхпроводников, 19 мая 2011 года была установлена на МКС. Необходимо отметить, что возможности данных версий детектора ограничены по сравнению со сверхпроводниковой моделью, поэтому работы над ней велись параллельно. В настоящий момент сверхпроводниковый спектрометр воплощен в металле, и ожидается его доставка на околоземную орбиту [7,8].

Рис. 1. Модель сверхпроводникового магнита с криогенным обеспечением, разработанного для орбитального AMS.

Еще одним перспективным направлением применения сверхпроводимости является создание сверхпроводникового электрореактивного двигателя. Рабочее тело в подобном двигателе ускоряется, находясь в состоянии плазмы. Скорость истечения плазмы значительно выше скоростей, предельных для типовых газодинамических двигателей. Как следствие, при прочих равных условиях, электрореактивный двигатель отличается существенно меньшим расходом рабочего тела и меньшим весом. Использование электрореактивного двигателя возможно только в условиях вакуума, поэтому в настоящий момент такие двигатели используются для поддержания орбиты искусственных спутников. Необходимо отметить, что электрореактивные двигатели малой мощности, не использующие сверхпроводники, производятся серийно, причем идея их создания принадлежит советскому физику

А. И. Морозову, сотруднику Курчатовского Института. Данные двигатели широко используются в конструкции различных искусственных спутников. Однако, в силу физических ограничений, их использование для разгона или корректировки орбиты таких крупных объектов как МКС или перспективные межпланетные космические корабли пока не возможно.

Работы по созданию электромагнитных электрореактивных двигателей с использованием сверхпроводниковых магнитов (американский проект VASIMR) был начат в 1977 году. Основная идея подобного двигателя заключается в переводе рабочего тела в состояние плазмы при помощи высокочастотного нагрева (что автоматически исключает проблему эрозии электродов) с последующим формированием плазменной реактивной струи магнитным соплом. Сверхпроводниковые электромагниты в данном случае являются неотъемлемой частью двигателя, поскольку только с их помощью можно получить магнитное поле с напряженностью, достаточной для формирования нужного профиля реактивной струи и обеспечения защиты компонентов двигателя от прямых контактов с плазмой. Основным предназначением двигателей VASIMR на данный момент является корректировка орбит космических станций и крупных искусственных спутников. В частности, находящийся в разработке двигатель VX-200 планируется установить на МКС. В более далекой перспективе, подобные двигатели можно будет использовать для доставки грузов на лунную орбиту, а также в качестве основной тяговой силы для аппаратов, участвующих в программах по освоению дальнего космоса [9].

Вместе с развитием ВТСП в США была запущена многолетняя программа по использованию ВТСП в условиях космических полетов (HTSSE). Заметим, что, несмотря на то, что ВТСП можно использовать для решения описанных выше задач, основным направлением данной программы является создание различных средств связи. С момента начала программы в 1988 году было разработано, произведено и испытано большое количество различных устройств, например, микроволновых демультиплексоров, малошумящих приемников, полосовых фильтров [10]. Аналогичная программа существует у концерна Bosch в Германии [11].

Как показывают результаты испытаний, сверхпроводниковые приборы на основе ВТСП обладают существенно лучшими рабочими характеристиками по сравнению с аналогичными традиционными устройствами. Не стоит, однако забывать, что, несмотря на достаточно высокую рабочую температуру ВТСП-компонентов, по-прежнему имеют место описанные выше проблемы криогенного обеспечения. В целом данное направление обладает очень широкими возможностями в плане дальнейшего развития и, несомненно, будет очень востребовано при дальнейшем освоении космического пространства.

Рис. 2. Двигатель VX-100

Рис. 3. Сверхпроводниковый магнит, разработанный для двигателя VX-200.

В заключение, необходимо сказать, что применение сверхпроводниковых устройств в космической отрасли является перспективным и постоянно развивающимся направлением научной деятельности. Существует ряд задач, которые не были описаны в данном обзоре, однако имеют отношение к данному направлению: бортовые сверхпроводниковые кинетические накопители энергии, магнитные подшипники для гироскопов на основе ВТСП, дальнейшее развитие сверхпроводниковой электроники с возможностью работы в условиях вакуума и многое другое. Также необходимо отметить, что у истоков всего направления стояли советские физики и инженеры. Российская научная общественность обладает уникальным наследием во многих аспектах обсуждаемого направления: криогенное обеспечение космических аппаратов, электрореактивные двигатели, магнитная защита от космического излучения – все это зарождалось в Советском Союзе. Поэтому развитие данной тематики силами российских ученых не только осуществимо, но и необходимо.

1. О. П. Анашкин и др. “Сохранение гелия и сверхпроводимости в условиях орбитального полета”, отчет ЦНИРТИ-ФИАН, 1967.

2. G. Kinstler “Method and device for magnetic space radiation shield”, Patent № US 7,464,901 B2, 2008.

3. G. Kinstler “Method and device for magnetic space radiation shield providing isotropic protection”, Patent № US 7,484,691 B2, 2009.

4. R. Jurdana-Šepić et al. “A relationship between the solar rotation and activity in the period 1998–2006 analysed by tracing small bright coronal structures in SOHO-EIT images”, Astronomy and Astrophysics, Vol. 534, 2011.

5. О. П. Анашкин, Б. Н. Белицкий, В. Б. Бродский, Л. В. Курносова, Н. Н. Михайлов,      Л. А. Разоренов, Т. М. Сидякина, М. И. Фрадкин “О возможности использования сверхпроводниковых магнитов для анализа состава космических лучей”, доклад на Всесоюзной конференции по физике космических лучей, Новосибирск, 1967.

6. О. П. Анашкин и др. “Использование сверхпроводниковых магнитных систем для анализа потоков электронов и позитронов в первичном космическом излучении”, доклад на Всесоюзной конференции по физике низких температур, Тбилиси, 1969.

7. P. McIntyre “Integration and testing of the superconducting magnet and cryogenics for AMS”, IEEE/CSC & ESAS European Superconductivity News Forum, № 12, April 2010.

8. P. McIntyre “Testing of the superconducting magnet and cryogenics for the AMS-02 experiment”, IEEE Transactions of applied superconductivity, vol. 21, № 3, 2011.

9. Jared P. Squier and al. “VASIMR performance measurement at powers exceeding 50 kW and lunar robotic mission applications”, International Interdisciplinary Symposium on Gaseous and Liquid Plasmas Akiu/Sendai, Japan, September 5-6, 2008

10. M. Nisenoff “The high-temperature superconductivity space experiment (HTSSE): present status and future challenges”, Supercond. Sci. Technology, № 9, 1996.

11. T. Kässer, M. Klauda, B. Mayer, C. Neumann, F. Schnell, U. Wochner “Superconductors and cryotechnology for space communications – adaptation of a new technology for application”, IEEE MTT-S Digest, 2000.

Д.Н. Диев

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.