Сверхпроводники YBCO позволяют создавать сверхэффективные двигатели

YBCO (оксид иттрия-бария-меди) — это революционный высокотемпературный сверхпроводящий материал, который полностью устраняет электрическое сопротивление при охлаждении ниже критической температуры 92 К (-181°C). В контексте космических двигателей YBCO используется для замены традиционных медных электромагнитных катушек в магнитоплазмодинамических двигателях (MPDT), создавая «космическую электромагнитную пушку», которая разгоняет плазму до экстремальных скоростей. Используя высокотемпературную сверхпроводимость, исследователи могут генерировать интенсивные магнитные поля, необходимые для создания тяги, практически с нулевыми потерями энергии, что позволяет значительно снизить как вес, так и энергопотребление двигателя.

Разработка эффективных двигательных систем долгое время была основным препятствием для распространения малых спутников и освоения дальнего космоса. Традиционные химические ракеты крайне неэффективны: часто более 90% их начальной стартовой массы приходится исключительно на топливо. В то время как электрические двигатели — часто называемые «космическими электромобилями» — предлагают более чистую и эффективную альтернативу, используя электрическую энергию для ускорения заряженных частиц, обычные магнитоплазмодинамические двигатели исторически были слишком громоздкими и энергоемкими для компактных космических аппаратов. Однако новаторское исследование, опубликованное в журнале National Science Review 22 февраля 2026 года, демонстрирует радикальный сдвиг в этой технологии.

Почему ВТСП-двигатель весит всего 60 кг по сравнению с 220 кг у традиционных моделей?

Высокотемпературный сверхпроводящий (ВТСП) двигатель обеспечивает колоссальное снижение веса на 73%, поскольку сверхпроводящие ленты YBCO выдерживают значительно более высокую плотность тока, чем обычная медь, что позволяет использовать гораздо меньшие магнитные катушки. Устранив массивные медные обмотки и тяжелые системы охлаждения, необходимые для отвода тепла от сопротивления, исследователи из Chinese Academy of Sciences успешно снизили общую массу системы с 220 кг до всего 60 кг. Такая облегченная конструкция позволяет интегрировать мощные двигательные установки в платформы миниатюрных спутников, которые ранее были ограничены вариантами с малой тягой.

Высокотемпературная сверхпроводимость позволяет инженерам обходить физические ограничения закона Ома, которые мешают традиционным электромагнитным системам. В стандартном MPDT медные катушки выделяют огромное количество отработанного тепла из-за электрического сопротивления, что требует тяжелого экранирования и массивных блоков рассеивания тепла для предотвращения расплавления системы. Перейдя на YBCO, исследовательская группа под руководством Professor Jinxing Zheng из Института физики плазмы (Hefei Institute of Physical Science) устранила этот резистивный нагрев, что позволило миниатюризировать весь магнитный узел без потери напряженности поля.

Снижение массы имеет серьезные последствия для экономики космических полетов. Каждый килограмм веса, добавленный к космическому аппарату, увеличивает стоимость запуска и уменьшает доступную массу полезной нагрузки для научных приборов. Двигатель весом 60 кг, обеспечивающий производительность 220-килограммового агрегата, позволяет разработчикам миссий либо снизить стоимость запуска, либо разместить больше современных датчиков, камер и систем связи, эффективно повышая «научную окупаемость инвестиций» для каждой запущенной на орбиту миссии.

В чем преимущества охлаждения жидким азотом при -196°C для сверхпроводников в двигателях?

Охлаждение ВТСП-двигателей до -196°C с использованием жидкого азота выгодно тем, что оно позволяет использовать сверхпроводники YBCO при температуре выше точки кипения азота, что гораздо экономичнее и проще в управлении, чем использование жидкого гелия. Этот температурный диапазон позволяет двигателю поддерживать состояние сверхпроводимости при минимальных затратах энергии, сокращая мощность возбуждения, необходимую для генерации магнитных полей, с 285 кВт до менее чем 1 кВт. Такое снижение энергопотребления на 99% делает высокопроизводительные двигатели пригодными для спутников на солнечных батареях.

Работа при температурах жидкого азота обеспечивает критический тепловой буфер для космических аппаратов, функционирующих в суровых условиях космоса. Традиционные низкотемпературные сверхпроводники требуют охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю (4 К), что требует сложных и тяжелых криостатов, заполненных дорогим жидким гелием. Используя высокотемпературную сверхпроводимость, команда продемонстрировала, что простые системы на жидком азоте, которые легче изолировать и пополнять, могут поддерживать среду, необходимую для функционирования YBCO. Именно эта тепловая эффективность позволяет снизить мощность возбуждения с уровня энергопотребления небольшого поселка до уровня обычного бытового электроприбора.

Исследователи успешно доказали, что такая стратегия управления тепловым режимом не ухудшает характеристики двигателя. Фактически, поддерживая стабильное сверхпроводящее состояние при -196°C, двигатель может генерировать мощное и стабильное магнитное поле. Эта стабильность необходима для равномерного ускорения плазмы, обеспечивая надежную работу «космической электромагнитной пушки» во время длительных включений, необходимых для межпланетных перелетов, таких как миссии к Марсу или к окраинам Солнечной системы.

Характеристики двигателя и удельный импульс

Эффективность двигательной установки измеряется её удельным импульсом — показателем, который описывает, какая тяга создается на единицу потребляемого топлива (рабочего тела). Новый ВТСП-двигатель достиг экстраординарного удельного импульса в 3 265 секунд при входной мощности 12 киловатт. Для сравнения, это более чем в десять раз выше удельного импульса традиционных химических ракет, который обычно составляет около 300 секунд. Это означает, что ВТСП-двигатель может достигать таких же изменений скорости, как и химическая ракета, используя лишь малую часть топлива.

• Удельный импульс: 3 265 секунд (против 300 с у химических ракет)
• Входная мощность: 12 кВт (высокая эффективность для транзита в дальний космос)
• Снижение мощности: С 285 кВт до <1 кВт для возбуждения магнита
• Снижение веса: С 220 кг до 60 кг

Этот скачок в эффективности напрямую решает проблему доли массы топлива. Благодаря высокой эффективности ВТСП-двигателя космическим аппаратам требуется значительно меньше топлива для достижения цели. Эта концепция «облегченной нагрузки» позволяет сократить время в пути и выполнять сложные орбитальные маневры, которые ранее были невозможны из-за топливных ограничений. Для SmallSats эта технология предоставляет «сердце», способное выводить их за пределы земной орбиты к целям в глубоком космосе с беспрецедентной точностью.

Точность прогнозирования: магнитогидродинамическая модель

Помимо физического оборудования, команда профессора Zheng разработала комплексную аналитическую магнитогидродинамическую (МГД) модель для управления работой двигателя. Эта теоретическая база точно описывает сложные взаимодействия между напряженностью магнитного поля, скоростью массового расхода и характеристиками тяги. Создав эту модель, исследователи подготовили дорожную карту для будущих итераций технологии, позволяя другим ученым предсказывать, как изменения масштаба или входной мощности повлияют на выходные данные двигателя.

МГД-модель была подтверждена в ходе строгих экспериментальных испытаний, показавших высокую степень корреляции между прогнозируемыми и наблюдаемыми данными. Эта валидация является решающим шагом в подтверждении авторитетности и надежности исследования, поскольку она доказывает, что команда понимает фундаментальную физику высокотемпературной сверхпроводимости в плазменной среде. Наличие проверенной математической модели упрощает процесс проектирования будущих космических аппаратов, снижая потребность в дорогостоящих испытаниях методом проб и ошибок и ускоряя внедрение ВТСП-двигателей в реальные миссии.

Это моделирование также исследует, как двигатель работает с различными типами рабочего тела. Понимая гидродинамику плазмы на микроскопическом уровне, команда может оптимизировать впрыск газа для обеспечения максимального ускорения. Сочетание высокоточного моделирования и успешной демонстрации оборудования знаменует собой одно из самых значительных достижений в области электрических двигателей за последнее десятилетие, потенциально завершая эру тяжелых и энергоемких магнитоплазмодинамических систем на основе меди.

Масштабирование для будущего: от SmallSats до глубокого космоса

Интеграция ВТСП-двигателей в аэрокосмическую отрасль знаменует начало новой эпохи высокоэнергоэффективных двигателей. По мере роста коммерческого космического сектора спрос на экономичные и высокопроизводительные двигатели для SmallSats будет только увеличиваться. Этот прорыв китайских ученых устраняет критическое препятствие в создании двигателей, открывая путь к устойчивому и доступному освоению лунной поверхности, астероидов и других объектов. Возможность запустить 60-килограммовый двигатель, который работает как тяжеловесный агрегат, вероятно, переопределит архитектуру космических миссий в 2030-х годах.

Заглядывая в будущее, исследовательская группа стремится к дальнейшему совершенствованию систем охлаждения, чтобы продлить срок службы двигателя для многолетних миссий. Будущие итерации могут исследовать сверхпроводники с еще более высокой температурой или более интегрированные решения для криогенного охлаждения, способные использовать естественный холод глубокого космоса. По мере того как высокотемпературная сверхпроводимость продолжает совершенствоваться, она готова стать стандартом для всех мощных электрических двигателей, открывая эпоху, когда звезды больше не будут недосягаемыми из-за веса наших двигателей или ограничений по топливу.