Передача енергії лазером: як це працює
«Безпілотники стали дуже популярною темою.
Насправді, багатьом апаратам потрібно залишатися в повітрі годинами, ведучи моніторинг газопроводів або стану залізниць, аерофотознімання районів лих, охорону територій, ретрансляцію радіосигналу. Для таких завдань можна використовувати безпілотники «літакового типу» з двигунами внутрішнього згоряння, але вони не надто маневрені та нездатні зависати в одній точці. У багатьох випадках електричні квадрокоптери зручніші, і їх користувачі йдуть на різні хитрощі, щоб продовжити термін роботи: возять додаткові акумулятори або навіть запасні дрони, щоб швидко проводити заміну, поки апарат залишається на підзарядці.
Окремі моделі безпілотників працюють "на прив'язі", отримуючи електроенергію із землі. Однак дроти важкі, їх здуває вітром разом із самим безпілотником, і межа висоти для таких апаратів рідко перевищує 200 м, висота 1 км вже недосяжна. Робляться спроби живити безпілотники оптоволокном, відправляючи нагору імпульси інфрачервоного лазера. Воно вдесятеро легше за металевий дроти — але, на жаль, не призначене для передачі великих потужностей і легко перегрівається, що дуже ускладнює справу.
Енергетична «прив'язь» безпілотників неминуча – але вона може стати зовсім невагомою та майже нескінченною, живлячи апарати безпосередньо, чистим лазерним променем. Такий проект розробляють Віталій Капранов, Іван Мацак та група молодих інженерів із Комітету інноваційних проектів (КВПМ) РКК «Енергія». "Наша технологія може забезпечити цілодобову роботу безпілотників без необхідності підзарядки", - говорить Іван.
У відрив
Аж донедавна передача енергії з допомогою лазерів у відсутності великого сенсу: їх ККД становив лише 10−20%.З урахуванням втрат на передачу та перетворення світлової енергії на електрику одержувача досягало в кращому разі кількох відсотків вихідної потужності. Лише у 2000-х роках ситуація почала змінюватися: з'явилися інфрачервоні лазери з ККД до 40-50% та високоефективні фотоелектричні модулі на основі арсеніду галію, здатні перетворювати на електрику до 40%, а іноді – і до 70% енергії випромінювання.
Це породило велику моду створення автономних безпілотників, здатних повністю забезпечувати власні енергетичні потреби від бортових панелей сонячних батарей. Однак Сонце випромінює у широкому діапазоні хвиль, і панелі доводиться робити «універсальними», здатними вловлювати фотони різної енергії. Лазерний промінь дозволяє працювати набагато ювелірніше: він має чітко визначену частоту і дозволяє заздалегідь підібрати матеріал фотоелемента так, щоб фотони саме цієї довжини хвилі вибивали з нього максимальну кількість електронів. Це підвищує ефективність енергосистеми, знижує її розміри та вагу.
Проект, над яким працюють Капранов, Мацак та їхні колеги, використовує для передачі енергії інфрачервоні лазери з двома довжинами хвиль – 808 та 1064 нм. 808-нанометровий промінь орієнтується на фотоелементи з урахуванням арсеніду галію з ефективністю перетворення енергії до 40%. Але ця довжина хвилі хороша лише на малих дистанціях: вже за кілометрового видалення пучок виросте в метрову розмиту пляму. "З 1064 нм ми втрачаємо 10% ефективності, зате на кілометрі промінь дає пляму лише в 3 см", - пояснює Капранов.
Зарядна станція з системою наведення може безперервно постачати безпілотник енергією, якщо він не відлітає за межі видимості або якщо апарат літає за певним маршрутом і заряджається в певній точці своєї траєкторії. ПриУ такий спосіб можна тримати БПЛА в повітрі цілодобово, у багатьох випадках отримуючи дешеву альтернативу космічному апарату.
З даху на дах
українські інженери не перші, хто працює над лазерною лінією електропередач. У 2011—2012 роках таку розробку продемонструвала компанія Laser Motive, використавши безпілотник із звичайною сонячною батареєю, де ефективність перетворення енергії була дуже малою. «Вони виступили з великим успіхом, виграли конкурс NASA Space Elevator, – зауважує Віталій Капранов. — Для нас це сигнал: часу гаяти не можна».
До сьогодні інженери з комітету інноваційних проектів «Енергії» вже розробили систему наведення лазерного променя, яка чуйно утримує безпілотник на прицілі. Вона стежить за апаратом, орієнтуючись відображення сигналу слабкого «навігаційного» лазера від кутового відбивача на корпусі, з точністю до 0,1°. Подальше наведення забезпечує мініатюрне дзеркало всередині оптичної системи лазерної гармати. Воно дозволяє змінювати напрямок променя з точністю до тисячних часток градуса, орієнтуючись на потік енергії від осередків фотоприймача, і досягати максимального рівня отриманої енергії.
«Основні перешкоди для поширення променя в атмосфері – біля поверхні: пил, дим, коливання повітря від нагрітих дахів, – пояснює розробник. — Крім того, найчастіше самі осередки турбулентності орієнтовані впоперек, а не вздовж поверхні. Тому, якби ми світили вертикально, перешкод було значно менше». Інженери розраховують провести перший експеримент із реальним безпілотником уже наступного, 2017 року — а ще за два-три роки вийти на ринок і просто здавати в оренду станції лазерної передачі енергії разом із безпілотниками або без них. Але їхні плани йдуть і вищими.
До орбіти
У космосі лазерна передача енергії буде ще ефективнішою, ніж повітрям: тут майже нема чому поглинати і розсіювати випромінювання. Зараз багато космічних апаратів отримують енергію від сонячних батарей, але їх масивні «крила» у космосі створюють багато проблем. «Розмір панелей пропорційний потребам у потужності, – каже Іван Мацак. — Потрібно багато енергії, потрібні великі батареї. Маса космічного апарату зростає, збільшується маса палива, знижується корисне навантаження».
Крім того, на деякі супутники сонячні батареї просто нема куди ставити. Розміри сучасних мікросупутників вимірюються десятками сантиметрів і дозволяють розмістити у найкращому разі кілька квадратних дециметрів сонячних панелей. Конструкторам доводиться битися за кожен споживаний ват, а вже про те, щоб поставити на такі апарати енергоємне навантаження (наприклад, електрореактивний двигун для підтримки орбіти), і не йдеться. Мікросупутники зазвичай живуть кілька місяців, виконують своє завдання та згоряють в атмосфері. Але лазером їх можна було б заряджати прямо з борту МКС, продовжуючи термін служби.
І цю ідею буде випробувано вже найближчими роками. Розроблений Іваном Мацаком та його колегами космічний експеримент «Пелікан» дозволить випробувати новий шлях передачі енергії з українського сегменту МКС на борт вантажного корабля «Прогрес». На відстані 1 км пляма від лазерного променя матиме діаметр 30-40 см, потрапляючи на фотоприймач такого самого розміру. Для того щоб передавати енергію із Землі, буде потрібна додаткова фокусуюча система — за розрахунками вчених, у цій ролі може виступити і звичайний телескоп із дзеркалом діаметром близько 2 м.
Вчені оцінили можливість застосування такої системи для енергопостачання типового великогосупутника. «Давайте візьмемо такий апарат, як «Ресурс-П», – пояснює Віталій Капранов. — Його сонячні батареї площею 5х5 м можна замінити приймачем розмірами 1х1 м і додатково полегшити супутник у півтора рази. Тобто ми могли б скоротити вимоги до потужності ракети, що його виводить, або поставити більше приладів».
Але інженери готові піти ще далі і вивести в космос цілу електростанцію — супутник із потужною енергетичною установкою на основі ядерного реактора та лазерним передавачем енергії. Такий апарат зможе живити відразу безліч супутників — наприклад, флот міжорбітальних буксирів, які виводитимуть на високі орбіти найважчі телекомунікаційні супутники. Теоретично, подібні електростанції зможуть постачати енергію і дослідні ровери на інших планетах. "Ми опрацьовуємо і такі проекти", - запевнили нас інженери РКК.