Рассмотрены три варианта канатных транспортных систем на магнитной левитации и способы их работы 2 (стр. 6 из 12)
Чтобы уменьшить энергозатраты, канат должен иметь проводимость как минимум в 100 раз выше, чем у алюминия или меди при нормальной температуре, а в пределе должен быть сверхпроводящим при температуре окружающей среды.
В работе [21] было установлено, что эффект образования высокотемпературной сверхпроводимости связан с особенностями структуры материала и его температуры, формой электрона (в виде кольца) и скоростью его движения в материале. При создании резонансных условий образования кольцевых электронов, их пар и цепочек, достигаются следующие критические параметры: Плотность тока на 1см2 сечения сверхпроводника:
je= 4peme3a8c4/h3=3.4×104A/см2 (7)
Магнитное поле:
Be= (me/e)(me(a2c)2/ћ)=12.5Тл (8)
Критическая температура:
Tc=me(a2c)2/(2kapn) = 93.50С/n (9)
где ћ=h/2p - постоянная Планка, a=1/137.036 - постоянная тонкой структуры, me - масса свободного электрона и с - скорость света, e- заряд электрона, n =1,2,3,…
Как видно из приведенных выражений, они состоят только из мировых констант и определяют предельно достижимые параметры любых высокотемпературных электронных квантоворазмерных приборов, созданных из любых твердотельных материалов, в том числе и сверхпроводящих кабелей.
Основные требования для высокотемпературных материалов, применяемых в энергетике отличаются от требований, применяемых в наноэлектронике. Это, прежде всего, высокая рабочая температура, высокие критические ток и магнитное поле, технологичность, стоимость и доступность. Этим критериям удовлетворяют материалы на основе аморфных и поликристаллических полупроводников, состоящих из углерода, кремния, оксидов металлов и халькогенидов, высокомолекулярных соединений, белков. В принципе для сверхпроводниковых материалов не имеет большого значения сам материал в области движения т.к. электрон не взаимодействует с самой решеткой, а только с определенными видами дефектов. Как устранить эти дефекты отдельный вопрос. Можно просто использовать материалы, свободные от таких дефектов.
Важно чтобы количество свободных электронов, на которых могут рассеиваться кольцевые электроны, не превышало некоторого критического значения. Т.е. материал должен быть полупроводником при нормальных температурах, в том числе и высокомолекулярные материалы (ВМС). Полупроводником может быть как естественные полупроводники так и диэлектрики, ВМС и др. Одним из таких высокомолекулярных материалов могут быть углеродные нанотрубки, легированные определенным образом.
Расстояние между концами нанотрубок или донорными центрами электронов при легировании нанотрубок, или даже отдельными атомами металла в области движения кольцевых электронов должно быть не более 14,5 нм [21]. Наиболее оптимальным будет такое расстояние когда донорные центры будут располагаться в районе 14,5/2
. Т.е. кольцевой электрон одновременно может охватить два близлежащих донорных центра. В этом случае технологический разброс нанотрубок относительно оси симметрии полупроводника не вызовет разрыва области движения электрона.Сверхпроводящие каналы должны быть защищены оболочкой, и такие провода можно объединять в жгуты. Линии тока из кольцевых электронов в таких жгутах будут расталкиваться между собой за счет электромагнитного взаимодействия между ними – силы Лоренца. Для компенсации этой силы необходимо использовать известный механизм пиннинга, т.е. механизм удержания вихрей Абрикосова на дефектах. В нашем случае роль дефекта выполняет поверхность оболочки.
Естественно толщина области окружающей сверхпроводящий канал не должна быть большой, т.к. она ограничивает среднюю плотность тока. Если все указанные требования будут выполнены то для такого сверхпроводника можно получить предельную плотность тока, je£3.4×104А/см2 (формула (7)), и критическое магнитное поле Be£12.5Тл (формула (8)). При этом рабочая температура не должна превышать 93.50С (формула (9), n=1).
С помощью таких проводов можно передавать энергию порядка
3.4×108–3.4×109Вт/см2. Создавать электромагниты не хуже чем на известных низкотемпературных сверхпроводниках (поле 6–9Тл), например, для транспорта на магнитной подвеске.
Безопасность и экологичность 2D авиации. Полеты вдоль жестко фиксированных трасс по канатам позволяют перейти на полное компьютерное дистанционное управление, исключить экипаж, т.е. устранить человеческий фактор. Становится ненужной сложнейшая система диспетчерского управления полетами. Управление становится аналогичным управлению железнодорожным транспортом. Кроме того, такой вид транспорта не зависит от погодных условий (туман и осадки). Обледенение канатов можно устранять либо за счет механической очистки перед модулем либо за счет принудительной вибрации канатов. Проблема останется только в штормовых случаях. Отметим, что в системе Маглев при резких порывах ветра может происходить удар модуля о жесткий рельс, что может привести к катастрофе. Аналогичная ситуация может возникнуть и при движении аэропоезда на монорельсе, как в AirTrain. В предлагаемом изобретении используется «мягкий» рельс – канат с виброгасителями, и жесткого удара не происходит из-за амортизации всей системы. При этом при сильном боковом ветре канаты фиксируют боковые смещения модуля, так как они закреплены за две опоры.
Автоматический взлет и посадка в режиме левитации исключают возможность аварий из-за поломок шасси, как часто происходит в самолетах. В аварийных ситуациях такой аппарат не падает на землю, а экстренно тормозится и зависает на канатах. Это важнейший фактор безопасности полетов, который принципиально невозможно решить при полетах на самолетах. Дополнительным фактором безопасности является движение на малой высоте, что исключает влияние космического радиационного излучения. Также отсутствуют резкие перепады давления, что уменьшает риск гипертонических осложнений у пассажиров.
Так как электроэнергия подводится по канатам, то на борту отсутствует взрывоопасное топливо. Следовательно, отсутствуют вредные выбросы, а также улучшаются шумовые характеристики. Т.е., использование электроэнергии резко улучшает экологичность такого вида транспорта, что позволит использовать его непосредственно в центрах городов. Это сокращает время поездки, так как отпадает необходимость ехать за город в аэропорт.
Космический лифт. Не менее важной составной частью специфических транспортных систем является дальнейшее освоение космоса с помощью использования космического лифта. Другой альтернативы освоению Солнечной системы нет. Никакое усовершенствование существующей ракетной техники не позволит достичь рентабельности космического лифта. При этом безопасность лифта несоизмеримо превосходит безопасность космического полета. Однако, как указывалось выше, основными проблемами создания космического лифта являются проблемы подачи энергии для движения модуля и трения колеса о канат.
В предлагаемой канатной транспортной системе на магнитной левитации проблема энергопитания и проблема колеса решаются автоматически путем использования токопроводящих нановолоконных канатов и магнитной левитации. Канатов должно быть как минимум два. По ним подается электроэнергия или с Земли, или с космической станции.
Для натяжения канатов в вертикальном направлении между Землей и компенсационным грузом на геостационарной орбите используются только две опоры. Одна опора может располагаться, например, на плавучей платформе на экваторе, вторая – на спутнике. Промежуточные опоры здесь не нужны. Канат работает на растяжение. Между канатами, аналогично как для 2D авиации, должны быть сделаны растяжки для уменьшения вибрации канатов и компенсации электромагнитного расталкивания канатов.
В качестве транспортного модуля можно использовать герметичный модуль любой формы, так как он движется в атмосфере Земли со скоростью автомобиля. Однако, в аварийной ситуации, например, при разрыве троса, скорость модуля относительно Земли может достигать космических скоростей. В этом случае, для уменьшения риска, целесообразно придать модулю форму воздушно космического самолета. Например, модуль может быть выполнен по аэродинамической схеме, типичной для космических кораблей многоразового использования. Тогда, при аварии он сможет приземлиться на обычном аэродроме. Сам модуль должен обладать небольшими реактивными двигателями и небольшим запасом топлива для аварийной посадки. Это в несколько раз уменьшает его общий вес по сравнению со стандартными шатлами.
Полезная грузоподъемность модуля может достигать 10-20 т, что соизмеримо с полезной грузоподъемностью космических кораблей типа «Шатл», «Буран».
Электромагнитный лифт. В настоящее время кроме космического лифта рассматриваются и другие альтернативные пути запуска космических летательных аппаратов. Например, запуск непосредственно с Земли с помощью электромагнитных катапульт (электромагнитной пушки). Сейчас предполагается создать электромагнитные ускорители длиной до 1 км с использованием электромагнитных секций. Секции предполагается создавать как из обычных магнитов, так и из сверхпроводящих магнитов. По оценке разработчиков такого ускорителя (Университет Sandia, США), его стоимость может составить 1-2 млрд. долларов США.