Дата публикации: 02.06.2023
Целевая
беспроводная передача энергии
из космоса.
Фото из космоса внутри MAPLE, с передающей решёткой справа и приёмниками слева. Источник.
Эврика! Учёные создали беспроводной способ направленной передачи энергии! Мало того, в январе этого года на орбиту был выведен прототип такого передатчика, оснащённый панелями для сбора солнечной энергии, и теперь он продемонстрировал свою целевую способность: передавать энергию в космосе и (!) направлять на Землю обнаруживаемую мощность.
Беспроводная передача энергии была продемонстрирована одной из трёх ключевых технологий ‒ Микроволновой решёткой для Низкоорбитального эксперимента по передаче энергии (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment или MAPLE). Разработки тестируются так называемым SSPD-1 (космическим демонстратором солнечной энергии) ‒ первым космическим прототипом в рамках проекта Space Solar Power Project (SSPP) Калифорнийского технологического института. А целью его является как раз сбор солнечной энергии в космосе и передача её на поверхность Земли.
MAPLE ‒ один из трёх ключевых экспериментов, ‒ состоит из массива гибких лёгких микроволновых передатчиков мощности под управлением специальных, но недорогих электронных чипов. Именно этот массив и обладает способностью передавать энергию целенаправленно в нужные места.
Примечательно, что в целом технология оказалась довольно бюджетной: для такой космической реализации удалось малой кровью обеспечить нужные условия и параметры. Во-первых, массивы передатчиков получилось сделать лёгкими, что облегчает их отправку в космос; во-вторых, их конструкция достаточно гибка, чтобы упаковать их для транспортировки в ракете.
«Благодаря экспериментам, которые мы провели до сих пор, мы получили подтверждение того, что MAPLE может успешно передавать энергию на приёмники в космосе, — говорит профессор электротехники и медицинской инженерии Брена и содиректор SSPP, Али Хаджимири, руководитель команды разработчиков. ‒ Мы также смогли запрограммировать массив, чтобы направить его энергию на Землю, что мы и обнаружили здесь, в Калифорнийском технологическом институте. Мы, конечно, испытали его на Земле, но теперь мы знаем, что он может пережить путешествие в космос и работать там».
Хитрость направленной передачи кроется в явлении интерференции: при взаимном наложении волн (от двух и более источников) в разных местах их распространения происходит изменение амплитуды колебаний ‒ там, где фазы совпадают, она удваивается, а там, где не совпадают, происходит затухание волны. Так вот, учёные использовали эти конструктивные и деструктивные свойства для организации группы передатчиков энергии таким способом, чтобы они могли смещать результирующий фокус и направление излучаемой энергии.
Причём управление такой направленностью происходит без каких-либо движущихся частей: чипы управления точно синхронизируют массив передатчиков для динамической выборочной фокусировки мощности в нужном месте. Осуществлённое с помощью когерентного добавления электромагнитных волн, это позволяет передать большую часть энергии в нужное место и никуда больше.
Технология предполагает два отдельных массива приёмников на расстоянии примерно 30 см от передатчика, посредством которых прототип получает энергию от звезды и преобразовывает её в электричество постоянного тока. Парадигма MAPLE также предполагает наличие у прототипа SSPP-1 небольшого окна, для излучения энергии массивом передатчиков. Но на передачу уходит не вся полученная энергия. Часть её используется для включения пары светодиодов, демонстрирующих полную последовательность беспроводной передачи энергии.
Таким образом, зажигая каждый светодиод по отдельности и переключаясь между ними, учёные удостоверились в функциональности технологии MAPLE при работе в космосе. В свою очередь, переданная устройством энергия была обнаружена приёмником на крыше Инженерной лаборатории Гордона и Бетти Мур в кампусе Калифорнийского технологического института в Пасадене. Принятый сигнал появился в ожидаемое время, на ожидаемой частоте и имел правильный частотный сдвиг, как и было предсказано на основе его перемещения с орбиты.
Однако, при всей грандиозности и удачности эксперимента, он «не герметичен»: он подвержен суровым условиям космического пространства. Исследователи говорят, что большие перепады температур и солнечное излучение нельзя сбрасывать со счетов ‒ пусть сегодня всё получилось, но в будущем, когда будут использоваться крупномасштабные установки SSPP, мы столкнёмся с этими ограничениями, которые способны довольно ощутимо повлиять на наши планы.
И уже сейчас, помимо демонстрации выживаемости передатчиков (запуск на космодроме и сам космический полёт наделяют перегрузками не только космонавтов, но и оборудование) и их работы в агрессивных условиях, эксперимент предоставил инженерам SSPP и другую полезную информацию. Антенны передачи энергии сгруппированы в группы по 16, каждая группа управляется одним полностью изготовленным на заказ гибким чипом интегральной схемы, и команда Хаджимири сейчас оценивает производительность отдельных элементов в системе, оценивая интерференционные картины меньших групп и измеряя разницу между различными комбинации. Кропотливый процесс, на полное завершение которого может уйти до шести месяцев, позволит команде разобраться с нарушениями и отследить их до отдельных единиц, что даст представление о следующем поколении системы.
«Насколько нам известно, никто никогда не демонстрировал беспроводную передачу энергии в космосе даже с помощью дорогих жёстких конструкций. Мы делаем это с помощью гибких лёгких конструкций и наших собственных интегральных схем. Это впервые», ‒ говорит Хаджимири.
Космическая солнечная энергия даёт возможность использовать практически неограниченные запасы солнечной энергии в космическом пространстве, где энергия постоянно доступна и не зависит от циклов дня и ночи, времён года и облачного покрова, что потенциально даёт в восемь раз больше энергии, чем солнечных батарей в любом месте на поверхности Земли. После полной реализации SSPP развернёт созвездие модульных космических аппаратов для сбора солнечного света и преобразования его в электричество, а затем ‒ в микроволны, которые будут передаваться по беспроводной сети на большие расстояния туда, где это необходимо, включая места, которые в настоящее время не имеют доступа к надёжному источнику питания.
«Гибкие массивы передачи энергии имеют важное значение для текущего проекта Калифорнийского технологического института по созданию созвездия парусоподобных солнечных панелей, которые разворачиваются, как только достигают орбиты», ‒ говорит Серджио Пеллегрино, профессор аэрокосмической и гражданской инженерии и содиректор SSPP.
«Точно так же, как Интернет демократизировал доступ к информации, мы надеемся, что беспроводная передача энергии демократизирует доступ к энергии», ‒ говорит Хаджимири. ‒ Для получения этой энергии на земле не потребуется инфраструктуры передачи энергии. Это означает, что мы можем отправлять энергию в отдалённые регионы и районы, опустошённые войной или стихийным бедствием».
«Тяжёлая работа и самоотверженность блестящих учёных из Калифорнийского технологического института воплотили в жизнь нашу мечту о предоставлении миру обильной, надёжной и доступной энергии на благо всего человечества», ‒ говорит Дональд Брен, председатель Irvine Company и пожизненный член попечительского совета Калифорнийского технологического института, филантроп, с подачи которого и появилась программа SSPP. Она начала свою работу в 2011 году ‒ после того, как Брен впервые узнал о потенциале космического производства солнечной энергии из статьи в журнале Popular Science, и, заинтригованный её потенциалом, обратился к институту с идеей исследовательского проекта космической солнечной энергии.
«Переход к возобновляемым источникам энергии, имеющим решающее значение для будущего мира, сегодня ограничен проблемами хранения и передачи энергии. Излучение солнечной энергии из космоса ‒ элегантное решение, которое приблизилось на один шаг к реализации благодаря щедрости и дальновидности семьи Бренов. ‒ говорит президент Калифорнийского технологического института Томас Ф. Розенбаум. ‒ Дональд Брен поставил грандиозную техническую задачу, которая обещает человечеству замечательную отдачу: мир, работающий на бесперебойных возобновляемых источниках энергии».
«Демонстрация беспроводной передачи энергии в космосе с использованием лёгких конструкций является важным шагом на пути к космической солнечной энергии и широкому доступу к ней во всем мире», ‒ говорит Гарри Этуотер, руководитель отдела инженерных и прикладных наук Отиса Бута; профессор прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза; директор Liquid Sunlight Alliance; и один из главных исследователей проекта. ‒ Солнечные панели уже используются в космосе, например, для питания Международной космической станции. Но для запуска и развёртывания достаточно больших массивов для обеспечения энергией Землю, SSPP должна спроектировать и создать системы передачи солнечной энергии, которые будут сверхлёгкими, дешёвыми и гибкими».
Отдельные блоки SSPP будут складываться в пакеты объёмом около 1 кубического метра, а затем разворачиваться в плоские квадраты со стороной около 50 метров, с солнечными элементами на одной стороне, обращёнными к солнцу, и беспроводными передатчиками энергии на другой стороне, обращёнными к Земле.
Космический корабль Momentus Vigoride, запущенный на борту ракеты SpaceX в рамках миссии Transporter-6, доставил в космос 50-килограммовый SSPD. Momentus обеспечивает постоянную поддержку полезной нагрузки Caltech, включая предоставление данных, связи, управления и телеметрии, а также ресурсы для оптимальной фотосъёмки и освещения солнечных батарей. Весь набор из трёх прототипов в рамках SSPD был задуман, спроектирован, построен и протестирован командой из примерно 35 человек ‒ преподавателей, постдокторантов, аспирантов и студентов ‒ в лабораториях Калифорнийского технологического института.
Помимо MAPLE, у SSPD есть два основных эксперимента: DOLCE (развёртываемый на орбите сверхлёгкий композитный эксперимент), структура, размером примерно 2 на 2 метра, с помощью которой проверяется архитектура, схема упаковки и механизмы развёртывания модульного космического корабля; и ALBA ‒ набор из 32 различных типов фотоэлектрических элементов, позволяющий оценить типы элементов, которые наиболее эффективны в суровых условиях космоса.
Испытания солнечных батарей ALBA продолжаются, и SSPP ещё не пытался развернуть DOLCE на момент публикации. Результаты этих экспериментов ожидаются в ближайшие месяцы.
АРМК, по материалам Калифорнийского технологического института.