Исследователи из Центра компетенций по накоплению тепловой энергии Люцернского университета прикладных наук и искусств совместно с фондом EuroTube провели серию экспериментов по созданию компактного аккумулятора холода для капсул Hyperloop —вакуумного поезда, идею которого еще в 2013 году предложил Илон Маск. В качестве материала для хранения холода и теплоносителя использовалась обычная вода: в замороженном виде она запасает холод, а в жидком — уносит этот холод к тем элементам оборудования, которые нужно охладить.
Необходимость в такой системе связана с особенностями Hyperloop: в разреженной атмосфере трубы пассивное охлаждение почти не работает, а тепло от двигателей, аккумуляторов и электроники может составлять от 6 кВт до десятков мегаватт. Система охлаждения должна быть легкой, компактной и способной быстро реагировать на изменение нагрузки.
В установке CCS (Compact Cold Storage), которая представляет собой цилиндр длиной 850 мм и внутренним диаметром 44 мм, ученые исследовали, как форма льда и направление потока воды влияют на работу системы. Они проверяли три формы: дробленый лед размером 5–30 мм (плотность упаковки 56%, теоретическая емкость 90,8 Вт·ч), кубики 15×30 мм (47%, 81,1 Вт·ч) и цельный блок, замороженный прямо в баке (98%, 142,2 Вт·ч). Направление потока меняли: сверху вниз, снизу вверх и горизонтально. Мощность охлаждения варьировали от 100 до 300 Вт, а температуру подачи устанавливали на 15, 25 или 35 °C.
Результаты показали, что ключевым фактором стало направление потока. Подача воды сверху вниз давала наибольшую емкость и самую низкую температуру на выходе благодаря естественной стратификации: холодная вода (~4 °C) опускается вниз, а лед всплывает вверх, создавая стабильный слой.
По скорости отклика и стабильности лучшим оказался дробленый лед. При потоке сверху вниз он выходил на рабочую температуру около 3 °C менее чем за 5% времени эксперимента и удерживал ее даже при увеличении мощности с 100 до 300 Вт. Коэффициент использования достигал 0,80–0,98, что близко к максимальному. Единственным недостатком оказался меньший запас холода в сравнении с цельным блоком.
Цельный блок в свою очередь обеспечивал наибольшую емкость, но реагировал на изменения нагрузки медленнее: на выход на стабильную температуру уходило более 20% времени, а средняя температура на выходе была выше — около 7 °C при 100 Вт и до 10 °C при 300 Вт. При высокой нагрузке блок иногда отрывался от стенок и всплывал, под ним образовывался слой холодной воды, который работал как буфер, но имел повышенную температуру.
Таким образом оптимальной оказалась комбинация дробленого льда и потока сверху вниз — это дает быструю реакцию и стабильное охлаждение. В дальнейшем исследователи планируют подобрать промежуточную фракцию льда, которая сочетала бы высокую плотность упаковки и быстрый отклик, а также протестировать систему в реальных масштабах с учетом вибраций и настоящего теплового профиля.
Эксперты полагают, что такие исследования могут приблизить реализацию проекта Hyperloop, до коммерческого запуска которого еще далеко. Сейчас проект существует в основном в виде лабораторных образцов, опытных участков и предварительных технико-экономических расчетов. В Нидерландах, например, только строится демонстрационный центр Hyperloop Development Program с тестовой трассой 420 м. В Мюнхене в рамках программы TUM Hyperloop уже работает 24-метровая тестовая труба с планами удлинить ее до 400 м. Дальше всех продвинулся Китай: там в прошлом году в закрытом тоннеле длиной около 2 км поезд на магнитной подушке уже достигли рекорда скорости — более 623 км/ч.
