В последние годы тема электрической авиации стремительно развивается, порождая множество инновационных решений, способных трансформировать способы перевозки пассажиров и грузов. Одним из наибольших прорывов стала разработка сверхпроводящих двигателей, в основе которых лежат высокотемпературные сверхпроводники (HTS). Эти технологии обещают значительно повысить эффективность силовых установок для самолетов и судов, обеспечивая непревзойденное соотношение мощности и веса, что критично в авиации. Сверхпроводники – материалы, способные при низких температурах проводить электрический ток без сопротивления – известны человечеству уже более ста лет. Однако практически полезное применение высокотемпературных сверхпроводников, которые работают при температуре порядка -140 °C, оставалось достаточно ограниченным практически на протяжении десятилетий.
Основной сложностью были высокие затраты и технические препятствия, связанные с охлаждением и эксплуатацией таких материалов. Недавние технологические достижения, особенно успехи в производстве медно-оксидной сверхпроводящей ленты на основе иттриево-бариево-медного оксида, продвигают данное направление вперед. Эти ленты, изначально созданные для устройств в области термоядерного синтеза, находят применение в электродвигателях нового поколения благодаря сочетанию высокой мощности и малой массы. Среди передовых компаний, работающих в этом секторе, выделяется стартап Hinetics из США. Основанная в 2017 году, компания использует результат исследований под руководством профессора Кирубы Харана из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне.
Весной 2025 года Hinetics продемонстрировала прототип сверхпроводящего двигателя с роторами из высокотемпературного сверхпроводника, которые охлаждаются уникальной системы криохолодильников. Отличительной особенностью данной разработки стала концепция вращающегося криохолодильника, связанного непосредственно с ротором двигателя. Традиционные решения предусматривают охлаждение сверхпроводящих катушек с помощью циркулирующих жидких или газообразных хладагентов, что требует сложной инфраструктуры, включающей насосы, уплотнения и трансмиссионные устройства для подачи хладагента в вращающиеся части. Это усложняет конструкцию, увеличивает вероятность сбоев и существенно прибавляет вес всей системы. В системе Hinetics криоохладитель компактно установлен на валу двигателя и вращается вместе с ним.
Таким образом, отсутствует необходимость в подаче жидкого хладагента в вращающийся ротор, а охлаждение осуществляется путем теплопередачи (кондукции) через металлический диск из меди, связанный с криохолодильником. Ротор и его системы заключены в вакуумную камеру для минимизации тепловых потерь и поддержания необходимых температур. Использование вращающегося криохолодильника позволяет сделать мотор значительно легче и надежнее по сравнению с традиционными технологиями. В ходе апрельских испытаний было подтверждено, что такой тип двигателя способен устойчиво работать на мощности в диапазоне 5–10 мегаватт — уровня, необходимого для региональных пассажирских самолетов с несколькими двигателями. Важным аспектом сверхпроводящих двигателей является их высокая эффективность.
Высокотемпературные сверхпроводники практически не имеют сопротивления, что позволяет снизить энергетические потери и увеличить КПД электромотора до 98–99.5%. Это значительно больше по сравнению с традиционными синхронными двигателями с постоянными магнитами, чья эффективность обычно ниже на 4–5 процентов. В авиации каждый процент эффективности имеет значение, ведь он напрямую влияет на расход энергии, продолжительность полета и требования к топливу или аккумуляторам. Кроме того, сверхпроводящие двигатели обладают выдающейся плотностью мощности — отношение мощности к весу, критичному параметру для воздушного транспорта.
Прототип Hinetics демонстрирует около 10 киловатт на килограмм, а планируемая следующая версия способна дойти до 40 киловатт на килограмм, что намного превышает показатели современных коммерческих электродвигателей. Уникальные характеристики этих моторов открывают перспективы не только в авиации, но и в судостроении. Высочайшая удельная мощность и высокое крутящий момент при низкой частоте вращения делают их привлекательными для крупных судовых электроприводов, где вес, размер и эффективность также играют ключевую роль. Несмотря на ошеломляющие преимущества новых сверхпроводящих двигателей, на пути их коммерциализации стоят определенные вызовы. Помните, что сверхпроводящие материалы требуют поддержания низких температур и сложных систем охлаждения, которые должны быть крайне надежны и долговечны в условиях интенсивных вибраций, перепадов нагрузки и экстремальных температур, типичных для авиационной и морской среды.
Еще одним сдерживающим фактором является вес и емкость современных аккумуляторов. Даже с высокоэффективными двигателями батареи остаются тяжелыми по сравнению с традиционным топливом. В этой области ведутся параллельные разработки по увеличению энергоемкости аккумуляторов и снижению их массы, что в совокупности с сверхпроводящими моторами может изменить расклад сил в пользу электрической авиации. Отдельно стоит упомянуть подход к конструкции статора и ротора. Многие компании пытаются сделать сверхпроводниками обе части машины.
Однако Hinetics выбрала более оптимальный путь — используя сверхпроводящие катушки только в роторе, где постоянный ток позволяет избежать потерь, связных с переменным током в статоре. Статор же выполняется обычным, что упрощает конструкцию и снижает расходы на охлаждение. В будущем возможен переход к беспроводной передаче энергии на вращающийся ротор, например, с помощью индуктивной связи, что еще больше снизит количество движущихся механических частей и повысит надежность всей системы. Мировые лидеры авиационной индустрии, такие как Airbus, уже инвестируют в сверхпроводящие технологии, разрабатывая проекты сверхпроводящих лайнеров в рамках программы ZEROe и других инициатив, направленных на устойчивый и экологически чистый транспорт. Таким образом, высокотемпературные сверхпроводники и разработанные на их базе моторы способны стать революционной платформой для электроавиации.
Они открывают путь к созданию мощных, легких и сверхэффективных силовых установок, которые смогут обеспечить экономию ресурсов, снижение выбросов и создание новых моделей коммерческих перевозок. Подытоживая, сверхпроводящие двигатели – это технология с огромным потенциалом, которая находится на пороге массового внедрения. Их появление обещает не только изменить техническую сторону авиационной и морской индустрии, но и положить начало новой эпохе экологически чистого транспорта, отвечающей современным вызовам устойчивого развития.
