До основних задач академічної науки, окрім пошуку НОВОГО ЗНАННЯ, належить також поширення отриманих наукових результатів серед наукової спільноти суміжних спеціальностей а також   популяризації науки серед студентської молоді. В рамках цього підходу отримані в стінах нашого Інституту «Трансмаг» наукові результати щодо вдосконалення високошвидкісного магнітолевітаційного транспорту були представлені на  Міжнародній науково-технічній конференції «Інформаційні технології в металургії та машинобудуванні – ІТММ’2022», яка відбулася в травні 2022 року на базі Навчально-наукового інституту промислових і бізнес технологій Українського державного університету науки і технологій. Відкривалася ця конференція пленарним засіданням, де першу доповідь зробив д.ф.-м.н. Плаксін С. В. на тему: «Високошвидкісний наземний транспорт на основі магнітної левітації з електроживленням від розподіленої фотоелектричної енергосистеми з перспективними енергонакопичувачами».

Підгрунтям цих досліджень є зацікавленість будь-якої суверенної держави в існуванні високошвидкісного транспорту для задоволення потреби соціуму в скороченні часу, потрібного на переміщення людей і вантажів. Серед різних видів високошвидкісного наземного транспорту саме магнітолевітаційний транспорт (магнітоплани) визнаний найбільш перспективним, тому й дослідження, пов’язані з удосконаленням цього виду транспорту є актуальними. Доповідь Плаксіна С. В. була присвячена інтеграції трьох перспективних наукових напрямків/технологій: магнітолевітаційного транспорту, фотоелектричного перетворення енергії та фазометричної радіонавігації. Саме ця інтеграція, тобто сутнісне взаємопроникнення трьох вказаних підсистем, дає в результаті несумарний синергетичний ефект. 

Досягнення цілей сталого розвитку народногосподарського комплексу у межах традиційних транспортних і енергетичних технологій є проблематичним, оскільки енерговитрати транспортних систем перевищують третину споживаної енергії, а найшвидший вид транспорту – повітряний є одним із провідних забруднювачів атмосфери. Тому метою даної роботи є обґрунтування перспективного шляху вирішення цієї проблеми за рахунок об'єднання в єдиній системі технологій поновлюваної енергетики та магнітолевітаційного транспорту.

В даний час у світі існує більше двох десятків проектів магнітолевітаційних транспортних систем, декілька функціонуючих низькошвидкісних доріг та двох високошвидкісних ліній у Китаї та Японії.
Інтерес до магнітолевітаційного (МАГЛЕВ) транспорту у світі все зростає. Подальше нарощування технологічного/комерційного успіху високошвидкісних транспортних МАГЛЕВ-засобів (магнітопланів) науковці різних країн світу вбачають на шляхах удосконалення і систем магнітного підвісу, і лінійного електроприводу, і системи бортового енергозабезпечення, але, насамперед – розробки ефективної системи управління рухом та підвісом магнітоплану .
Магнітоплани рухаються за допомогою спеціалізованого електроприводу – лінійного двигуна, вмонтованого в шляхову структуру магнітолевітаційної траси (рис. 1).

Рис. 1. Трифазні обмотки лінійного двигуна, вмонтовані в бокові стінки шляхової структури

Це досягається шляхом включення по черзі певних тягових секцій у відповідні моменти часу (рис. 2).

Рис. 2. Перемикання тягової секції за сигналами радіонавігаційної системи

Підвіс вагонів (левітація) здійснюється за допомогою магнітної взаємодії між бортовими магнітами (у нашому варіанті вони є надпровідними) та магнітами, які вмонтовані в шляхопровід, через або притягнення (як у німецько-китайській варіанті), або відштовхування (як в українському та японському варіантах).

Хоча в ряді країн, наприклад, в Японії, Китаї, Південній Кореї, вже діють різні магнітолевітаційні проекти, ціла низка наукових проблем, пов'язаних із забезпеченням надійності таких високошвидкісних «польотів» наземного транспорту (зрештою, швидкості руху – близько 500 км/год!), залишається актуальною. Серед них: точність позиціонування таких високошвидкісних об'єктів, гарантованість електроживлення тягових секцій і бортової апаратури, енергоефективність електроприводу та вплив на навколишнє середовище. Актуальність цієї тематики знайшла своє відображення також і в пріоритетах Рамочних програм Євросоюзу по розвитку науки, яка включають, наприклад, такий напрямок, як «Високошвидкісний наземний транспорт, заснований на екологічно чистих раціональних енергосистемах.

Що стосується цього специфічного типу електричного транспорту, в наших роботах показано, що сонячний потенціал України дозволяє повністю забезпечити його «чистою» енергією (рис. 3).

Рис. 3. Сонячний потенціал України повністю задовольняє потреби магнітолевітаційного транспорту

Цей перехід до джерела електроживлення MАГЛЕВ-транспорту від фотоелектричної енергетичної системи, розподіленої уздовж траси, дозволяє кардинально перестроїти систему управління рухом MАГЛЕВ-поїздів. Принципово інша архітектура побудови МАГЛЕВ-траси – не з довгих секцій з трифазними силовими обмотками, що використовуються зараз, а з дискретних коротких котушок, які одночасно є і тяговими котушками лінійного двигуна, і складовим елементом (навантаженням) сонячної шляхової енергоустановки, розміщеної уздовж шляхопроводу, дозволяє досягнути сутнісної інтеграції та взаємоузгодженої комбінації двох способів магнітної левітації – електромагнітного та електродинамічного. 

Така побудова робить можливим незалежне автономне живлення кожної шляхової котушки та автономне управління нею з можливістю перемикання або в тяговий режим, або в режим левітації.

У той же час, досягається значне збільшення точності позиціонування поїздів, що рухаються зі швидкістю більш 500 км/год. Авторами розроблена система управління рухом магнітоплану на базі прецизійної фазометричної радіонавігаційної системи, інтегрованої з фотоелектричною системою його енергозабезпечення (рис. 4), яка дозволяє визначати місце розташування екіпажу на магнітному підвісі з точністю 10–20 см при швидкостях руху близько 500 км/год і здійснювати управління тяговими секціями лінійного двигуна синхронно з проходженням над ними магнітоплану.    

Рис. 4. Схематичне зображення системи точного управління МАГЛЕВом з живленням від сонячної енергії

Для підвищення ефективності сонячної енергосистеми були проведені дослідження, спрямовані на покращення як характеристик її компонентів, так і балансу системи в цілому. Зокрема, проведено комп'ютерне моделювання сонячних модулів перспективних конструкцій. Справа в тому, що кремнієві сонячні елементи, що традиційно використовуються в фотоенергетиці, практично вичерпали свій потенціал. Найважливішим кроком у розвитку фотоенергетики була поява сонячних елементів (СЕ) на основі гетероструктур. Нами був проведений комп'ютерний експеримент, в якому були змодельовані механічно зістиковані сонячні елементи на основі гетероструктур та сонячні елементи з двостороннім покриттям наночастинками алюмінію (рис. 5, 6).

Рис. 5. Двовимірна модель сонячного елемента

Рис. 6. Сонячний елемент з двобічним покриттям наночастинками

Основний результат цієї серії експериментів полягає в тому, що при радіусі наночастинок 25 нм та відстані між ними 200 нм вдається досягти максимального значення коефіцієнта корисної дії, що дорівнює 13,8 %. (рис. 7). Досягнення такого значного підвищення значення коефіцієнта корисної дії відбувається завдяки дифракції світла в активному шарі фотоелемента і формуванню зони підвищеної його інтенсивності. 

Рис. 7. Залежність коефіцієнту корисної дії СЕ від радіусу наночастинок

Гарантованість енергопостачання магнітолевітаційного транспорту зростає в разі використання сонячних космічних електростанцій, оскільки вони виведені за межи атмосфери Землі (рис. 8) і енергія, що поставляється на землю, не залежить ні від яких погодних умов.

Рис. 8. Орбітальний фрагмент енергетичної системи Маглева

При існуючому рівні розвитку космічних технологій будівництво сонячної космічної електростанції потребуватиме великих витрат. Подолати ці труднощі можна на основі сучасних досягнень у фізиці напівпровідників та радіофізики. В радіоелектронному обладнанні в якості малогабаритних генераторів надвисокочастотних коливань широко використовується діоди Ганна. Невеликі розміри та вага цих напівпровідникових пристроїв роблять привабливим їх використання як одного з основних компонентів сонячної космічної електростанції для перетворення постійного струму у високочастотні коливання з метою передачі енергії на землю через мікрохвильовий промінь. В результаті цієї серії комп'ютерних експериментів встановлено, що в разі оснащення напівпровідникового мікрохвильового генератора додатковим інжектором, який складається з 10 шарів In1-x-yAlxGay товщиною 0,001 мкм кожний (рис. 9), при напрузі на аноді 4 В діод Ганна виходить до стабільного режиму роботи з частотою коливань 106 ГГц .

Рис. 9. Моделювання діода Ганна зі ступінчастим інжектором гарячих електронів на основі шарів InAlGaAs

Передача енергії з космосу доцільна саме на таких частотах, виходячи з наявності так званого вікна прозорості в атмосфері, в області якого згасання енергії помітно слабшає, як це видно з графіка на рис. 10.

Завершується цей цикл досліджень роботами по моделюванню електродинамічних систем для випромінювання та фокусування мікрохвильового променю. На рис. 10 показано базовий елемент мікросмугової антенної решітки та діаграма направленості всієї антенної решітки.

Функціонування систем, які використовують джерела відновлюваної енергії, відбувається в умовах принципової неможливості усунення невизначеності доступної енергії, що призводить до необхідності використання «енергодемпферів» – акумуляторів. Але слід зазначити, що роль цієї невизначеності дещо перебільшена. Хоча енергія вітру та сонця дійсно змінюється, але ці зміни передбачувані, оскільки хоча би протягом наступних двох днів можна передбачити, наскільки вітряною та сонячною буде погода.

Рис. 10. Комп’ютерне моделювання антенної решітки

Особлива роль у таких енергетичних системах належить акумуляторам-накопичувачам. Накопичувачі електроенергії не лише дозволяють забезпечити автономність енергопостачання, але є ключовою ланкою в енергетичних системах на основі відновлюваних джерел енергії. Використання накопичувачів, організованих певним чином, дає можливість забезпечити повноцінне функціонування всього електротехнічного комплексу магнітолевітаційного транспорту на території України (див. рис. 3) повністю за рахунок сонячній енергії. 

Не тільки для МАГЛЕВ-транспорту, а й взагалі в енергетиці застосовуються накопичувачі великої енергоємності для вирівнювання коливань у регіональних електромережах. Навіть запроваджено термін – «віртуальна електростанція». Для керування такими великими масивами накопичувачів в рамках наших досліджень створено алгоритм моніторингу (на базі запропонованого раніше імпульсного гальваностатичного методу) електрохімічних накопичувачів енергії на основі свинцево-кислотних джерел струму при їх експлуатації на транспортних засобах, що дає змогу здійснювати поточний контроль та прогнозування стану накопичувачів без порушення штатного режиму роботи системи електроживлення.

Висновки

Таким чином, результатом проведених досліджень є розробка фізико-технічних основ створення надійної прецизійної швидкодіючої системи керування МАГЛЕВ-транспортом, що функціонує в режимі реального часу і має всепогодну систему гарантованого електроживлення на основі сонячної енергії.

Здійснення такого проєкту могло б стати локомотивом зростання всієї економіки України, оскільки призвело б до розвитку суміжних галузей, а також розширення виробництва електротехнічних та мікроелектронних компонентів, а отже, до створення нових робочих місць. 

Можна з упевненістю стверджувати, що ці результати в період післявоєнного розвитку народного господарства дозволять розпочати здійснення в Україні міжгалузевого інноваційного проєкту загальнонаціонального масштабу зі створення високошвидкісних наземних транспортних коридорів типу «шовковий шлях» на екологічно раціональних енергосистемах.