Науковці Інституту транспортних систем і технологій НАН України (Дніпро) працюють над високошвидкісним наземним транспортом на основі магнітної левітації з електроживленням від розподіленої фотоелектричної енергосистеми з перспективними енергонакопичувачами. За підсумками серії досліджень уже розроблено фізико-технічні засади створення надійної прецизійної швидкодійної системи керування магнітолевітаційним транспортом, яка функціонує в режимі реального часу і має всепогодну систему гарантованого електроживлення на основі сонячної енергії. Учені-дніпряни певні, що завдяки їхнім науковим результатам під час повоєнної відбудови в Україні з’являться високошвидкісні наземні транспортні коридори типу «шовковий шлях» на екологічно раціональних енергосистемах. Такий загальнонаціональний міжгалузевий інноваційний проєкт здатен, на думку дослідників, стати локомотивом для всієї української економіки, стимулювати розвиток суміжних галузей, зростання виробництва електротехнічних і мікроелектронних компонентів, а отже, й посприяти створенню нових робочих місць. Розповідаємо докладніше про головні наукові результати наших колег за цим напрямом.
Будь-яка країна зацікавлена у скороченні часу перевезення людей і вантажів, а найперспективнішим серед різних видів високошвидкісного наземного транспорту сьогодні вважають магнітолевітаційний (або ж магнітоплани). У світі існує вже понад 20 проєктів магнітолевітаційних транспортних систем, у Китаї та Японії функціонує кілька низькошвидкісних доріг і дві високошвидкісні лінії.
Крім того, поєднання магнітолевітаційного транспорту з технологіями відновлюваної енергетики полегшить досягнення цілей сталого розвитку в економіці. Адже традиційні транспортні й енергетичні технології на це вже практично не здатні: енерговитрати транспортних систем перевищують третину споживаної енергії, а найшвидший вид транспорту – повітряний – нині є одним із найбільших забруднювачів атмосфери.
Науковці Академії спільно зі своїми університетськими колегами шукають таких способів удосконалити магнітолевітаційний транспорт, які давали б синергетичний ефект (тобто результат, що перевершує просту суму складників). Для цього, на їхню думку, потрібно інтегрувати три новітні технології – власне магнітолевітаційний транспорт, а також фотоелектричне перетворення енергії та фазометричну радіонавігацію.
Фахівці з різних країн пропонують нарощувати технологічний і комерційний успіх магнітопланів, удосконалюючи і системи магнітного підвісу, і лінійний електропривод, і системи бортового енергозабезпечення, та передусім – розроблюючи ефективну систему управління рухом і підвісом магнітоплану.
Як же рухаються магнітоплани? За допомогою спеціалізованого електроприводу – лінійного двигуна, вмонтованого у шляхову структуру магнітолевітаційної траси (рис. 1).
 Рис. 1. Трифазні обмотки лінійного двигуна, вмонтовані у бокові стінки шляхової структури |
Транспорт зрушують, по черзі (у належні моменти) вмикаючи певні тягові секції (рис. 2).
 Рис. 2. Перемикання тягової секції за сигналами радіонавігаційної системи |
Вагони підвисають (левітують), притягуючись (як у німецько-китайському варіанті) або відштовхуючись (як в українському та японському варіантах) завдяки магнітній взаємодії між бортовими магнітами (у дослідженнях українських учених вони є надпровідними) та магнітами, вмонтованими у шляхопровід.
Попри те, що у деяких країнах (наприклад, Японії, Китаї, Південній Кореї) різні магнітолевітаційні проєкти вже діють, ціла низка наукових проблем, пов’язаних із забезпеченням надійності високошвидкісних (близько 500 км/год!) «польотів» такого наземного транспорту, лишається актуальною. Серед проблем, що їх належить розв’язати: точність позиціонування магнітопланів, гарантованість електроживлення тягових секцій та бортової апаратури, енергоефективність електроприводу і вплив на довкілля. Про це свідчать, зокрема, пріоритети рамкових програм Європейського Союзу з досліджень та інновацій: наприклад, програма «Горизонт 2020» містила такий напрям, як «Високошвидкісний наземний транспорт, заснований на екологічно чистих раціональних енергосистемах».
Науковці Інституту транспортних систем і технологій НАН України довели, що сонячний потенціал України повністю забезпечить цей специфічний тип електричного транспорту «чистою» енергією (рис. 3).
 Рис. 3. Сонячний потенціал України повністю задовольняє потреби магнітолевітаційного транспорту |
Завдяки електроживленню магнітолевітаційного транспорту від фотоелектричної енергетичної системи, розподіленої вздовж траси, можна принципово змінити систему управління рухом MАГЛЕВ-поїздів, а також архітектуру побудови шляхопроводу. А саме – перейти від довгих секцій із трифазними силовими обмотками, що їх використовують зараз, до дискретних коротких котушок, які одночасно є і тяговими котушками лінійного двигуна, і складником (навантаженням) сонячної шляхової енергоустановки, розміщеної вздовж шляхопроводу. Це дає змогу кардинально перебудувати систему управління рухом магнітопланів, органічно поєднавши два способи магнітної левітації – електромагнітний та електродинамічний. Така побудова створює умови для автономного живлення кожної шляхової котушки й автономного управління нею та можливості перемикати у тяговий режим або в режим левітації.
Водночас, суттєво зростає точність позиціонування поїздів, які рухаються зі швидкістю понад 500 км/год. Науковці Академії розробили систему управління рухом магнітоплану на базі прецизійної фазометричної радіонавігаційної системи, інтегрованої з фотоелектричною системою його енергозабезпечення (рис. 4). За допомогою цієї системи управління можна визначати місце розташування екіпажу на магнітному підвісі з точністю 10–20 см за швидкостей руху близько 500 км/год і керувати тяговими секціями лінійного двигуна саме у той час, коли над ними «пролітає» магнітоплан.
 Рис. 4. Системи управління рухом магнітоплану з живленням від сонячної енергії на основі прецизійної фазометричної радіонавігації |
Щоб підвищити ефективність сонячної енергосистеми, яка живить магнітоплан, українські науковці взялися поліпшити як характеристики її компонентів, так і загальний баланс. Зокрема, засобами комп’ютерного експерименту вони змоделювали сонячні модулі перспективних конструкцій – механічно зістиковані сонячні елементи на основі гетероструктур і сонячні елементи з двостороннім покриттям наночастинками алюмінію (рис. 5, 6) (слід зауважити, що кремнієві сонячні елементи, традиційно використовувані у фотоенергетиці, практично вичерпали свій потенціал, а їхню функцію перебрали на себе нещодавно запропоновані сонячні елементи на основі гетероструктур).
 Рис. 5. Двовимірна модель сонячного елемента |
 Рис. 6. Сонячний елемент, з обох боків покритий наночастинками |
Основний результат цієї серії експериментів – суттєве підвищення коефіцієнта корисної дії сонячних елементів – наразі до значення 13,8 % (рис. 7). Цього вдалося досягти завдяки дифракції світла в активному шарі фотоелемента і формуванню зони його підвищеної інтенсивності за радіусу наночастинок 25 нм і відстані між ними 200 нм.
 Рис. 7. Залежність коефіцієнту корисної дії сонячного елементу від радіусу наночастинок |
Гарантованість енергоживлення магнітолевітаційного транспорту зростає, якщо використовувати космічні сонячні електростанції. Адже вони перебувають поза атмосферою нашої планети (рис. 8), тож енергія, яку вони постачають на Землю, не залежить від погодних умов.
 Рис. 8. Орбітальний фрагмент енергетичної системи магнітолевітаційного транспорту |
За нинішнього рівня розвитку космічних технологій спорудження космічної сонячної електростанції доволі витратне. Подолати ці труднощі допоможуть новітні досягнення фізики напівпровідників і радіофізики. Як малогабаритні генератори надвисокочастотних коливань у радіоелектронному обладнанні широко використовують діоди Ганна. Ці напівпровідникові пристрої невеликі за розмірами і вагою, а отже, їх можна використати як один з основних компонентів сонячної космічної електростанції, щоб перетворити постійний струм на високочастотні коливання, а останні – передати на Землю мікрохвильовим променем. У підсумку серії комп’ютерних експериментів науковці-дніпряни з’ясували: якщо напівпровідниковий мікрохвильовий генератор обладнати додатковим інжектором (впорскувачем), що складається з десятишарової гетероструктури індію–алюмінію–галію (In1-x-yAlxGay) завтовшки 0,001 мкм кожен (рис. 9), за напруги на аноді 4 В діод Ганна виходить на стабільний режим роботи з частотою коливань 106 ГГц.
 Рис. 9. Моделювання діода Ганна зі ступінчастим інжектором гарячих електронів на основі шарів InAlGaAs |
Передавати енергію з космосу саме на таких частотах доцільно з огляду на наявність так званого вікна прозорості в атмосфері, де згасання енергії помітно слабшає (що видно з графіка на рис. 10).
Завершується цей цикл досліджень моделюванням електродинамічних систем для випромінювання й фокусування мікрохвильового променю. На рис. 10 показано базовий елемент мікросмугової антенної решітки і діаграму направленості всієї антенної решітки.
 Рис. 10. Комп’ютерне моделювання антенної решітки |
Системи, які живляться відновлюваними джерелами енергії, функціонують в умовах невизначеності доступної енергії (хоча роль цієї невизначеності дещо перебільшена, адже завдяки сучасним можливостям прогнозування можна щонайменше на два найближчі дні передбачити зміни енергії вітру й сонця). Це унеобхіднює використання акумуляторів. Вони не лише роблять електропостачання автономним, а й слугують ключовою ланкою енергетичних систем на основі відновлюваних джерел енергії. Використання накопичувачів, організованих певним (запатентованим) чином, дасть змогу всьому електротехнічному комплексові магнітолевітаційного транспорту в Україні (рис. 3) повноцінно функціонувати на самій лише сонячній енергії.
Для вирівнювання коливань у регіональних електромережах і у магнітолевітаційному транспорті застосовують накопичувачі великої енергоємності (їх іще позначають спеціальним терміном «віртуальна електростанція»). Щоб керувати такими великими масивами накопичувачів, українські науковці з Дніпра, скориставшись власним раніше запропонованим (і запатентованим) імпульсним гальваностатичним методом, розробили алгоритм моніторингу електрохімічних накопичувачів енергії на основі свинцево-кислотних джерел струму за їхньої експлуатації на транспортних засобах. Це дає змогу контролювати і прогнозувати стан накопичувачів, не порушуючи роботи системи електроживлення.
Впровадження всіх описаних вище наукових результатів, як вважають їхні автори, може стати драйвером економічного піднесення й повоєнної відбудови України.
* * *
Дослідження виконали:
- директор Інституту транспортних систем і технологій НАН України Герой України, доктор технічних наук, професор Віктор Дзензерський;
- завідувач відділу систем управління транспортними засобами Інституту транспортних систем і технологій НАН України доктор фізико-математичних наук Сергій Плаксін;
- молодший науковий співробітник відділу систем управління транспортними засобами Інституту транспортних систем і технологій НАН України Юрій Шкіль.
За інформацією Інституту транспортних систем і технологій НАН України