Сотрудники института № 3 «Системы управления, информатика и электроэнергетика» МАИ разработали технологию, которая призвана повысить энергоэффективность водородной авиации. В ее основе — использование системы охлаждения сжиженным водородом для силовых электронных преобразователей.
О том, как это работает и как создаются инновационные технологии, позволяющие транспорту на водороде стать эффективнее, о перспективах водородной авиации, научной деятельности и бережливых стартапах поговорили с одним из создателей этой технологии, сотрудником и аспирантом кафедры 310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Михаилом Остапчуком.
— Михаил, расскажите, пожалуйста, как родилась идея предложенной вами технологии?
Технология охлаждения электроники криогенными жидкостями существует давно — с 1960-х годов. И она до сих пор используется в космосе — для различных приемников, мощных антенн. Например в конструкции телескопа «Джеймс Уэбб» имеются огромные фольгированные радиаторы, которые служат для поддержания на нем криогенной температуры. Это делается для чувствительного элемента, но охлаждаются также и инструментальные усилители, т. е. полупроводники, которые работают при криогенных температурах.
На нашей кафедре много наработок по сверхпроводимости, и в том числе в двигателях и генераторах со сверхпроводниками. И наше исследование сформировалось именно вокруг работы сверхпроводниковых элементов, которые нуждаются в криогенном охлаждении, и преобразователя, который в случае объединения контуров охлаждения может повысить производительность и эффективность работы всей системы.
— В чем уникальность данной технологии?
Электронику можно разделить на две большие группы — силовая и слаботочная (информационная). Слаботочная используется для вычислений. Например процессор — это информационная электроника. А силовая электроника используется для преобразования электроэнергии. К силовой и слаботочной электронике совершенно разные требования. Слаботочная служит для того, чтобы мы могли собирать и обрабатывать данные об окружающей среде, поэтому важна скорость и точность передачи сигналов. А силовая служит для того, чтобы преобразовывать энергию, которая поступает от генерирующих устройств к потребителю в приемлемом для него виде.
Слаботочный преобразователь для инструментального усиления не имеет никакой тепловой нагрузки (выделяет мало электрических потерь). А вот компоненты, используемые в силовой электронике, сильно греются, потому нуждаются в охлаждении. И чем масштабнее промышленность, тем больше в ней востребована силовая электроника.
— Вы создали технологию, которая позволит снизить массу и повысить энергоэффективность летательных аппаратов на водородном топливе. Идея заключается в использовании на борту силовых электронных преобразователей, охлаждаемых сжиженным водородом. Что они собой представляют?
Преобразователь, разработанный нами, — это демонстрация работоспособности технологии. Прототип, который мы создали, — корректор коэффициента мощности (ККМ): устройство, которое балансирует разные типы мощности, благодаря чему генератор, который подключен к преобразователю, лучше работает, теряет меньше энергии.
Особенность нашего преобразователя заключается в том, что при криогенном охлаждении его свойства улучшаются.
Если говорить про самолеты, то обязательными их элементами являются генератор электрической энергии и преобразователь переменного тока в постоянный для питания всей бортовой электроники. Преобразователь нуждается в постоянном охлаждении. Как правило, для этого используется воздух, вода или другие жидкости, которые повышают общую массу компонентов воздушного судна. Но если говорить о водородных самолетах или гибридных силовых установках, то гораздо более эффективным способом охлаждения будет подача в охлаждающий контур водородного топлива, которое уже находится на борту и хранится при криогенных температурах. Таким образом можно сэкономить массу и взять на борт больше полезной нагрузки. Кроме того, эксперименты показали, что сверхнизкая температура дает эффект повышения электрической проводимости и снижения пульсаций, тем самым увеличивая КПД и, как следствие, уменьшая расход топлива.
— А почему в своем исследовании вы обратились именно к водородным самолетам?
На самом деле, скорее к водородному транспорту в целом: это не только самолеты, но и автомобили на водородном топливе, морские суда. Ну а поскольку у нас больше экспертизы именно в авиации, поэтому мы можем более точно понимать запросы авиации и космонавтике.
— Есть ли аналоги предложенной вами технологии?
Без ложной скромности, в России я один из основных экспертов в этой теме, поскольку в нашей стране подобных работ практически не производилось. В интернете есть информация про организацию семинаров на эту тему от ФПИ, однако никаких работ аналогичных тому, что производится в развитых странах, нет.
Если говорить о разработках за рубежом, то в мире исследования в этом направлении ведутся довольно активно. И 2022 год стал пиковым по количеству публикаций на данную тему. 2023 и 2024 год пока не исследованы на предмет количества публикаций, но предполагаю, что их там еще больше.
Выделяя из общего числа исследований именно те, которые посвящены криогенным преобразователям, их оказывается немного — 10 до 20 по всему миру. Это связано с тем, что это достаточно наукоемкий процесс — разработать и собрать преобразователь с использованием криогенного охлаждения.
— Исследования, посвященные этой теме, есть, а есть ли готовые продукты?
Именно коммерциализированной технологии с высокой степенью промышленной готовности нет: пока это только единичные прототипы в области аэрокосмоса, их разработкой занимались NASA, ESA и ARPA-E.
Из недавнего: в феврале была конференция More Electric Aircraft 2024. На этой конференции крупнейшие авиационные компании представили свои концепты криогенных преобразователей (Airbus UpNext, Safran, RTX corp, Collin Aerospace). В их концепциях развития авиации криогенные преобразователи безальтернативно занимают место в водородном и СПГ-самолетах, именно в той концепции, которая предлагалась также и нами. Наш анализ публикационной активности предвосхитил эти концепции, поэтому посмотрим, чем ответит наша авиакосмическая промышленность на новые вызовы от конкурентов.
— Вы намерены довести вашу разработку до готового продукта?
Моя цель — максимально развить идею. Мне интересен весь процесс — от идеи до продукта и массовых производств.
— Какими предприятиями, компаниями ваша разработка может быть востребована?
Возможно, я немного удивлю, но эта технология может использоваться не только на транспорте. Но и на крупных энергетических проектах, которые связаны со сверхпроводимостью. Например нашумевший объект «Сверхпроводящая линия постоянного тока» в Санкт-Петербурге, которую разрабатывают Россети ФСК ЕЭС.
Или в термоядерных реакторах. Один из таких строится в Троицке, там планируются к использованию сверхпроводники для очень мощных сверхпроводящих магнитов. Конечно же, водородный транспорт само собой: например компания SIDERA APUS. Также медицина: аппараты МРТ, в которых давно используются сверхпроводники. Космические системы — платформы, где будут криогенно охлаждаться компоненты преобразователя.
— На какой стадии сейчас ваш проект?
На мой взгляд, проект уже достаточно проработан с точки зрения неопределенностей в технических нюансах, в том, что из себя будет представлять эта система и какой потенциал для улучшения свойств. Последний достаточно сложный вопрос — надежность. Процесс адаптации теории надежности для криогенных преобразователей активно идет, и после его завершения никаких преград для того, чтобы коммерциализировать технологию, быть не должно.
— Насколько внедрение вашей разработки изменит финальную стоимость летательного аппарата?
Если говорить, сколько бы стоило производство летательного аппарата без или с технологией гибридной регазификации топлива (то есть нагрева топлива за счет электрических потерь преобразователя), то можно сказать, разницы в цене не будет. Потому что компоненты, которые используются для модификации уже существующей системы охлаждения, достаточно недорогие.
А вот если говорить про то, сколько составит экономия, то здесь цифры могут впечатлять, ведь мы уменьшаем массу компонентов летательного аппарата, их габариты, увеличиваем энергоэффективность, экономим топливо. На прототипе нам удалось увеличить КПД преобразователя на 1 %. И это очень много, ведь речь идет об удельном показателе, который привязан ко всему времени эксплуатации. Например я достаточно приблизительно просчитывал экономию для ФСК ЕЭС: 1 % на протяжении года составил 250 миллионов рублей. То же самое можно сказать и про массовое внедрение в автомобильное производство: 1 % на 1 тысячу единиц машин в год даст огромные цифры.
— Как планируете развивать проект?
Я стараюсь следовать принципам бережливого стартапа. Намерен довести промышленную готовность до необходимого уровня и более активно работать с потенциальными заказчиками.