Коротко: У космосі все, що почало обертатися, хоче обертатися вічно (дякуємо, Ньютон). Проблема не в повітрі (його майже немає), а в підшипниках — місцях, де зазвичай щось торкається, нагрівається, зношується і врешті перестає працювати. Вихід? Магніти. Магнітні підшипники та безщіткові двигуни дозволяють роторам «висіти» і обертатися, нічого не торкаючись. Це той самий «маглев» ефект, що й у поїздах, тільки зігнутий у колесо. Додаємо розумні керуючі контури, хороший тепловий дизайн і кілька запасних «ловушок» — і обертання триває дуже, дуже довго.

Навіщо взагалі щось обертати в космічному кораблі?

• Керування орієнтацією: реактивні колеса та гіроскопи керуючого моменту (CMG) обертають сам космічний корабель — не потрібно витрачати паливо після кожного дрібного маневру.
• Накопичення енергії: маховики накопичують електрику як кутовий момент. Ніби заряджений спінер (з математикою).
• Підтримка життя та наука: насоси, вентилятори, центрифуги, кріохолодильні установки, ротатори зразків — багато маленьких двигунів.
• Штучна гравітація: обертові модулі («гравітація обертання») притискають ноги до «підлоги» через центрипетальне прискорення: a = ω²r.

Космос наче допомагає: немає повітря — немає аеродинамічного опору. Але космос і жартує: немає конвекційного охолодження, мастила випаровуються, а чисті метали можуть холодно зваритися, як старі друзі. Старі добрі кулькові підшипники + вакуум = «побачимось на огляді невдач».

На сцену виходять магніти: від плаваючих поїздів до плаваючих роторів

Поїзди магнітної левітації (маглев) утримують вагон над рейкою електромагнітними силами. Два основні типи:

• EMS (електромагнітна підвіска): поїзд притягується до рейки. Датчики та зворотний зв’язок підтримують сталий зазор.
• EDS (електродинамічна підвіска): суперпровідні або сильні постійні магніти індукують у рейці вихрові струми, які при русі відштовхують. (Фізика: змінні магнітні поля → індуковані струми → протилежні поля.)

Магнітний підшипник — це маглев-брат на колесах. Замість вагона над довгою рейкою, ротор тримаємо в порожнині статора з дуже маленьким, рівномірним зазором — нічого не торкається. Основні типи:

• Активні магнітні підшипники (АМП): електромагніти + датчики положення + контролер. Сотні тисяч разів на секунду виконуються невеликі корекції, щоб утримувати ротор у центрі. (Так, маленький робот диригує вашим обертанням.)
• Пасивні магнітні підшипники: постійні магніти (іноді діамагнітні або суперпровідні матеріали) забезпечують часткову левітацію. Теорема Ерншоу каже, що лише зі статичними магнітами стабільно «підвісити» у всіх напрямках неможливо, тому часто поєднують пасивну стабільність в деяких осях з активним керуванням в інших; або використовують суперпровідники (фіксація потоку), які обходять цю теорему гарним способом.
• Суперпровідні магнітні підшипники: супер «жорсткі» (буквально). Фіксація магнітного потоку «замикає» положення ротора, наче невидимими гумовими стрічками. Чудова стабільність, але ви отримуєте кріогенне хобі.

🧊 Суперпровідники в космосі (тут холодно — у тіні)

Суперпровідники люблять холод. У космосі його достатньо — якщо сховатися від Сонця. Космічний фон ~2,7 K, а з хорошими сонцезахисними щитами та блискучими радіаторами можна пасивно випромінювати тепло у глибокий простір і досягати дуже низьких температур. Направте радіатори від Сонця та планет — і отримаєте «сусідство рідкого азоту» (десятки кельвінів досягаються пасивно; ще нижче вже знадобляться кріохолодильники).

Чому варто їх використовувати там угорі?

• Левітація без постійної потужності: надвисокотемпературні надпровідники (HTS, наприклад, стрічки REBCO/YBCO) «укріплюють» магнітні силові лінії. Ротор з магнітами «фіксується» над охолодженим шматочком — жорсткий у всіх 6 степенях свободи. Стабільна, майже без тертя робота з мінімальним керуванням.
• Надефективні двигуни/генератори: надпровідні обмотки зменшують масу і втрати. Чудово для компактних, високотурнікетних приводів або генераторів маховиків.
• Живлення з малими втратами: надпровідні дроти (де практично) подають енергію майже без втрат I²R — чудово, коли кожен квадратний метр радіатора дорогий.

Де підводні камені?

• Кріогеніка: HTS хочуть ~77 K і нижче; наднизькотемпературні надпровідники (NbTi) хочуть ~4 K. Пасивно з серйозними щитами досягнете ~50–70 K; нижче потрібні кріовідсмоктувачі (Stirling, pulse‑tube, turbo‑Brayton). Вони вібрують — тому додаємо ізоляцію, щоб телескоп не заспівав пісню.
• Явища «Quench»: якщо надпровідник нагрівається або отримує надто великий струм/поле, він стає «нормальним» провідником (з’являється опір). Потрібне виявлення та безпечні шляхи розряду струму, щоб тепло виходило туди, де не шкодить.
• Втрати змінного струму та рух: у обертових пристроях змінні поля викликають втрати навіть у надпровідниках. Геометрія, ламінування та частоти допомагають їх контролювати.
• Матеріали та мікрометеорити: HTS стрічки міцні, але крихкі; кріотрубки мають витримувати «космічний пісок». Допомога: екранування та надлишковість.

Математика радіатора «з руки»

Наскільки холодним можна утримувати надпровідний підшипник з радіатором? Перше наближення балансу:

P = εσA (T⁴ − T_space⁴)  ⇒  T ≈ ⁴√( P / (εσA) + T_space⁴ )

Наприклад: маємо 10 W теплове навантаження і 2 м² панель з високим коефіцієнтом емісії (ε≈0,9), спрямовану у глибокий космос (T_space≈3 K). Тоді:

P/(εσA) ≈ 10 / (0.9 · 5.67×10⁻⁸ · 2) ≈ 9.8×10⁷  ⇒  T ≈ ⁴√(9.8×10⁷) ≈ ~100 K

Близько 100 K пасивно — достатньо для більшості HTS. Якщо потрібно ще нижче — додаємо невеликий кріовідсмоктувач і все це ховаємо за сонячним щитом, як за надійною парасолею.

Надпровідники + магніти: трюк вечірки

Потокове укріплення забезпечує пасивну стабільність, якої одні магніти без керування не мають (теорема Ерншоу «без безкоштовної левітації» більше не діє для надпровідників II типу з вихорами). Переклад: охолоджений «пиріг» під магнітною доріжкою — і ротор левітує, стійкий до поштовхів і тримається у своїй смузі без постійної потужності. Ідеально для величезних обертових модулів або наддовговічних маховиків. Все одно тримаємо механічні «контактні» підшипники для аварійної безпечної зупинки — космос любить сюрпризи.

Реактивні колеса, CMG і маховики: «команда обертання»

Реактивні колеса (RW)

Реактивне колесо — важкий диск, який обертає двигун. Збільшуєш його швидкість — космічний апарат обертається в протилежному напрямку (закон збереження кутового моменту). Зменшуєш — обертається назад. Колеса можуть обертатися тисячі обертів за секунду роками підряд. Проблема: будь-яке тертя краде енергію і нагріває; при досягненні макс. швидкості треба «скидати момент» магнітними генераторами моменту (магніторкерами) або тягачами.

Гіроскопи керуючого моменту (CMG)

CMG завжди швидко обертає колесо, але змінює напрямок його осі (гі́мбали). Повертаєш вісь — отримуєш великі моменти швидко; чудово для станцій. Мінуси: особливості керування (так, математика справжня), великі гімбали і складне керування.

Накопичення енергії маховиків

Думайте «акумулятор простору, тільки обертання». Електроенергію перетворюємо в кінетичну: E = ½ I ω². Високоміцні композитні ротори у вакуумі + магнітні або надпровідні підшипники = вражаючі коефіцієнти корисної дії. Але любіть корпуси утримання і баланс: поломка ротора… запам'ятовується. Композитні кільця, розділені корпуси і «ловушки вибуху» роблять спогад пристойним.

Як працюють магнітні підшипники

Уявіть, що ви тримаєте олівець точно по центру отвору пончика, не торкаючись його. Як тільки він відхиляється — ви даєте мікроскопічний поштовх. Ось що таке активний магнітний підшипник.

Цікавий факт: іноді на роторі роблять прорізи у формі щілин або використовують ламінування — так зменшують вихрові струми та нагрівання. Менше вихорів = більше обертання при тій самій потужності.

«Як потяги, тільки по колу» — аналогія

• Маглев рейка (довгий статор) → Статор двигуна (кільце)
• Магніти вагона → Магніти ротора
• Датчики зазору → Датчики положення
• Контролер зворотного зв’язку (тримати зазор 10 мм) → Контролер (тримати зазор 0,5 мм)

Фізика та сама: електричні та магнітні поля змінюються імпульсом з провідниками. Потяги роблять це прямо; ротори — обертаючись. Обидва чутливі до тертя.

Гравітація від обертання: «якого розміру має бути спурга, щоб відчувати 1 g?»

Щоб отримати «гравітацію» Землі від обертання: a = ω² r ≈ 9,81 м/с².

Де допомагають магніти: для величезного обертового модуля можна використовувати магнітні підшипники — немає зносу, герметично від пилу, активне центрування. Все одно тримаємо механічні «ловці» на випадок відключення живлення.

Простір — поганий механік (мастило у вакуумі)

• Олії випаровуються. Ваш чудовий мастильний матеріал перетворюється на примарний шар туману на оптиці. Неідеально.
• Метали холодно зварюються. Відполіровані, чисті метали, притиснуті у вакуумі, можуть з'єднуватися. Несподіване «весілля».
• Існують сухі мастила: MoS₂, графіт, DLC покриття — корисні, але контакт = зношування рано чи пізно.
• Магнітні або надпровідні підшипники усувають контакт. Немає тертя, пилу і надлишкового тепла — термін служби значно довший.

Компроміси (так звані «Так, але…»)

• Енергоспоживання: активні магнітні підшипники «потроху п’ють» енергію для центрування. Надпровідні можуть зменшити постійну потужність — але в бюджетах з’явиться охолодження.
• Складність: контролери, датчики, підсилювачі — більше деталей і програмного забезпечення. Кріогеніка додає трубопровід і режими відмов. Перевага — довготривала надійність.
• Теплове керування: без повітря немає конвекційного охолодження. Теплові трубки і радіатори — зірки, сонячні панелі — охоронці.
• Режими безпеки: аварійні підшипники, затримуючі кільця, «безпечне» викручування.

Для любителів керування (цікаво, але не обов’язково)

Числа, які «складаються»

• Зазор: у магнітних підшипниках часто ~0,2–1,0 мм. Датчики бачать мікрометрові зміни.
• Швидкість: маховики — тисячі до десятків тисяч об/хв; реактивні колеса — часто кілька тисяч об/хв.
• Сили: актуатори підшипників можуть генерувати сотні–тисячі ньютонів у компактних корпусах — достатньо, щоб надійно центрирувати "нервовий" ротор при 10 000 об/хв.

"Чи працюють магніти в космосі?" (міні FAQ з розвінчання міфів)

Міф: "Магнітам потрібна опора, тому в космосі вони не працюватимуть."
Реальність: магніти взаємодіють з матеріалами та полями, а не з повітрям. Ротор і статор двигуна приносять свою "святковість" — магнітне поле Землі не потрібне. Вакуум навіть допомагає — немає опору повітря.

Міф: "Магніт просто прилипне до чогось і буде марним."
Реальність: двигуни та магнітні підшипники формують поля, струми та сили у точних напрямках (тягнуть, штовхають, стабілізують). Це хореографія, а не хаос.

Від поїздів до космосу: ті ж трюки, інше взуття

• Лінійний → обертовий двигун: маглев рейка — довгий статор; ротор — той самий статор, зігнутий у кільце.
• Контроль зазору: поїзди регулюють сантиметри; підшипники — міліметри.
• Датчики + зворотний зв'язок: та сама ідея: вимірюй → рахуйте → коригуйте, дуже швидко.
• Вихрові струми: чудово для гальмування поїздів; погано для гарячих роторів. Інженери "де-вихровують" ротори надрізами/ламінуванням.

Безпечні фізичні відчуття (експерименти на кухонному столі)

• Графіт, що демонструє левітацію: розкладіть кілька неодимових магнітів "шаховим" порядком і "підкладіть" тонкий шматок піролізного графіту. Він вібрує, але тримається — діамагнетизм!
• Гальмо вихрових струмів: затисніть алюмінієвий лист між полюсами сильного магніту. Гойдалки гальмуються без контакту. Рух → тепло — невидимі гальмівні колодки.
• Демонстрація безщіткового двигуна: обертайте маленький BLDC вручну і відчуйте м'який "момент детента". Подавайте невелику напругу — спостерігайте, як фази переключаються без іскр і щіток.

Попередження з безпеки: використовуйте помірні магніти, бережіть пальці/картки/телефони. Не працюйте з кріогенними речовинами чи вакуумними насосами вдома. Хочемо, щоб кількість пальців збігалася з початковою.

Підсумуємо все: уявний космічний корабель

1. Орієнтація: чотири реактивні колеса на магнітних (або надпровідних) підшипниках — стійкість до відмов. LEO — магнітні генератори моменту для розрядки; далі — тягачі.
2. Накопичення енергії: два протилежно обертові маховики (щоб усунути гіроскопічні несподіванки) у вакуумних капсулах, на магнітних/надпровідних підшипниках, з композитними ременями та уловлювальними кільцями.
3. Житлове кільце: діаметром 120 м, 3–4 об/хв для часткової гравітації. Основний осьовий підшипник — гібридний: пасивна радіальна жорсткість (фіксація потоку HTS) + активне осьове керування; механічні аварійні підшипники на випадок «блекауту».
4. Теплова ланка: безщіткові насоси та кріохолодильники на магнітних підшипниках; радіатори та сонячні щити утримують вузли HTS нижче критичної температури без драми.
5. «Мозок»: електроніка, стійка до відмов, з простими, перевіреними часом законами керування. Жодного «перехитрювання» о 3-й ночі. У інтерфейсі — проміжки, струми, температури та режими великими дружніми числами.

Чому це важливо (окрім «бо це круто»)

• Довговічність: без контакту = мінімальне зношування. Місії вимірюються десятиліттями.
• Чистота: жодного масляного туману на оптиці. Прилади залишаються чутливими.
• Ефективність: менше втрат на тертя — менші енергетичні системи або більше науки на ват.
• Безпека: кероване обертання, керовані відмови, утримана енергія. Спокійні інженери, спокійніші астронавти.

Ще одна «математична цукерка»

Хочете ~0,3 g у компактному кільці без «пластівців гімнастики»? Оберіть r = 30 м. Розв'яжіть a = ω² r за ω:

ω = sqrt(a/r) = sqrt(2.943 / 30) ≈ 0.312 рад/с ⇒ об/хв = ω·60/(2π) ≈ 2.98

~3 об/хв на радіусі 30 м — «гравітація», близька до марсіанської. Ваш внутрішнє вухо дякує; ваші підшипники (магнітні чи надпровідні) також.

Заключна думка

Поїзди навчили нас, що важкий предмет можна утримувати в повітрі добре налаштованим електромагнітним захопленням. Космічні кораблі скручують це захоплення в кільце, додають постійний ритм керуючих сигналів (або охолоджений шматок надпровідника) і запрошують ротор танцювати роками без жодного дотику. Це не просто хитра інженерія — це певна машинна добробут. А поведінка шанованих машин часто є доброю у відповідь.

Обертання «майже вічно»: підніміть магнітами, охолодіть надпровідниками, керуйте математикою, охолоджуйте радіаторами — і нехай зірки захоплюються вашим обертанням без тертя.