Gyvybės spindulys: lazerinis perdavimas

Gyvybės spindulys: lazerinis perdavimas

Ilya Ferapontov
"Populiariausi mechanika" №12, 2016

Nuo vaikystės, seniai iki lazerių atsiradimo, iš Pasaulinio karo ir inžinieriaus Garino hiperbolido, mes pripratę prie "mirties spindulių". Kariuomenė stengiasi įveikti kovinius lazerius, kad būtų sunaikintos priešo raketos, dronai ir palydovai. Bet jie gali nešti mirtį, bet šiek tiek daugiau gyvybės – energijos.

"UAV tapo labai populiari tema, nes jos yra ne tik bando panaudoti – jie tiekia pica ir išmėgina mūšio lauką … Tuo pačiu metu visi priversti įveikti pagrindinę kliūtį – pernelyg trumpą skrydžio laiką. Daugiapakopiai palikti ore 10-20 minučių, šiuolaikinės baterijos – 25-30. Tai dažnai nepakanka ", – sakė inžinierius iš RSC Energia Vitalijus Kapranovas.

Tiesą sakant, daugeliui aparatų reikia valandų palikti ore, stebėti dujotiekius ar geležinkelių būklę, nelaimių zonų aerografinę nuotrauką, teritorijų apsaugą ir radijo signalų perdavimą. Tokioms užduotims galite naudoti "orlaivio tipą" su vidaus degimo varikliais, tačiau jie nėra per daug manevringi ir negali pakabinti vienoje vietoje. Daugeliu atvejų elektriniai kvadrocteriai yra patogesni, o jų vartotojai naudoja skirtingus gudrybės,prailginti darbo laiką: nešioti papildomų baterijų ar net atsarginių drones, kad greitai atliktų pakeitimą, o prietaisas, kuris praleido laiką, lieka įkraunamas.

Atskiri UAV modeliai dirba "prie pavadėlio", gaunantys elektros energiją iš žemės. Tačiau laidai yra sunkūs, jie vulkanizuojami vėjo kartu su pačiu vamzdžiu, o tokių prietaisų aukščio riba retai viršija 200 m, 1 km aukštis jau nepasiekiamas. Buvo bandoma tiekti drones per skaidulą, siunčiant infraraudonojo lazerio impulsus į viršų. Tai yra dešimt kartų lengvesnė už metalinę vielą – tačiau, deja, ji nėra skirta perduoti didelę galią ir lengvai perkaisti, o tai labai apsunkina tai.

"Drones" energijos šaltinis yra neišvengiamas – bet jis gali tapti beveik nesvarus ir beveik begalinis, maitinant prietaisus tiesiai, naudojant švarų lazerio spindulį. Toks projektas yra plėtojamas Vitalijus Kapranovas, Ivanas Matsakas ir jaunųjų inžinierių grupė iš RSC Energia Inovacijų projektų komiteto (KIPM). "Mūsų technologija gali padėti visą parą dirbti be dulkių, nereikalaujant įkrauti", – sako Ivanas.

Pirmauja

Iki neseniai energiją vartojančių lazerių perdavimas neturėjo prasmės: jų efektyvumas buvo tik 10-20%. Atsižvelgiant į šviesos energijos perdavimo ir konversijos į elektros energiją nuostolius, gavėjas geriausiu atveju pasiekė kelis procentus pradinės galios. Tik 2000-aisiais pasikeitė situacija: atsirado infraraudonųjų spindulių lazeriai, kurių našumas siekė 40-50%, ir labai efektyvus fotoelektrinis modulis, pagrįstas galio arsenidu, galinčiu iki 40% konvertuoti į elektros energiją, o kartais ir iki 70% spinduliavimo energijos.

Apie arsenido naudą

Fotoelementų apšvietimas paverčiamas elektros energija dėl fotoelemento poveikio: didelės energijos fotonai "trankojo" elektronus iš medžiagos ir atsirado srovė. Skirtingi puslaidininkiai išsiskiria jų šviesos konversijos efektyvumu ir skirtingu jautrumu skirtingų bangų spinduliavimui. Paprastai saulės elementai pagaminti iš silicio, jie yra nebrangūs, tačiau paprastai jie sveria ne daugiau kaip 10% spinduliuojamos šviesos energijos. Gallium arsenidas (GaAs) yra brangesnis, bet taip pat efektyvesnis. Infraraudonųjų spindulių spektras, esant maždaug 808 nm ilgio bangos ilgiui, pasiekia 60%.

Tai sukėlė didelę tendenciją kurti autonomines droseles, galinčias visiškai patenkinti savo energetinius poreikius iš laive esančių saulės baterijų.Tačiau saulė spinduliuoja daugybe bangų, o plokštės turi būti "universalios", galinčios užfiksuoti skirtingų energijų fotonus. Lazerio spindulys leidžia jums dirbti daug daugiau juvelyrų: jis turi griežtai apibrėžtą dažnį ir leidžia iš anksto parinkti fotolaboratorinę medžiagą taip, kad šio konkretaus bangos ilgio fotonai išjudintų maksimalų elektronų skaičių iš jo. Tai didina energijos sistemos efektyvumą, sumažina jo dydį ir svorį.

Projektas, kurio metu Kapranovas, Matsakas ir jų kolegos dirba, naudoja infraraudonųjų spindulių lazerius su dviem bangos ilgiais – 808 ir 1064 nm – energijos perdavimui. 808 nanometrų spindulys orientuojasi į fotovoltines ląsteles, kurių pagrindą sudaro galio arsenidas, o energijos vartojimo efektyvumas yra iki 40%. Tačiau šis bangos ilgis yra geras tik nedideliais atstumais: kilometro atstumu sija išauga į metrą neryškioje vietoje. "Esant 1064 nm, mes prarandame 10% efektyvumo, tačiau kilometro spinduliuotės taškas yra tik 3 cm", – aiškina Kapranovas.

Energijos konversijos efektyvumas. Monochromatinė radiacija (809 nm), imtuvas su koncentruota optika, lygiagretus fotoelementų jungtis

Įkrovimo stotis su valdymo sistema gali nuolat tiekti tranšėją su energija,jei jis neišsiskleidžia iš akių, arba jei transporto priemonė plaukioja tam tikru maršrutu ir įkraunama tam tikru kelio tašku. Jei reikia, tokiu būdu jūs galėsite palikti bevandenį orlaivį daugybe dienų, daugeliu atvejų tai bus pigus alternatyva erdvėlaiviui.

Nuo stogo iki stogo

Rusijos inžinieriai nėra pirmieji, kurie dirba lazerio maitinimo linijoje. 2011-2012 m. Tokią plėtrą parodė bendrovė. Lazerinis motyvasnaudojant "drone" su įprastine saulės baterija, kur energijos konversijos efektyvumas buvo labai mažas. "Jie puikiai sekė, laimėjo NASA konkursą Kosminiu liftu– pažymi Vitalijus Kapranovas. "Mums tai yra signalas: nėra laiko prarasti".

Iki šiol inžinieriai iš Energetikos projektų inovacijų projektų komiteto jau sukūrė lazerio spindulių nukreipimo sistemą, kuri yra jautri laikyti UAV akimis. Ji stebi prietaisą, sutelkdama dėmesį į silpnojo "navigacijos" lazerio signalą nuo kampinio reflektoriaus ant kūno, tikslumu 0,1 °. Tolimesnėse instrukcijose pateikiamas miniatiurinis veidrodis, esantis "lazerio pistoleto" optinėje sistemoje.Tai leidžia jums keisti krypties spindulį iki artimiausios tūkstantosios laipsnių, daugiausia dėmesio skiriant energijos srautui iš fotoelemento ląstelių ir pasiekti didžiausią gaunamos energijos lygį.

Ši įranga jau buvo išbandyta antžeminių eksperimentų metu – ant dviejų "Energia" darbinių pastatų stogų koroletuose prie Maskvos, atstumu 1,5 km atstumu. "Mums pavyko perduoti energiją tiek lietaus, tiek rūkymo metu. Tik kalvių parduotuvė rimtai trukdė: kai jis pradėjo dirbti, sija nustojo eiti dėl sunkių dūmų, o likusį laiką viskas veikė, mes pasiūlėme kolegoms apmokestinti telefonus", – sako jis. Kapranovas.

"Pagrindinės kliūtys spinduliuotės plitimui atmosferoje yra netoli paviršiaus: dulkės, dūmai, oro virpesiai nuo šildomų stogų", – aiškina kūrėjas. Be to, dažniausiai patys turbulencijos elementai yra orientuoti ne į paviršių, o išilgai paviršiaus. "Triukšmas būtų žymiai mažesnis." Kitais metais, 2017 m., Inžinieriai tikisi atlikti pirmąjį eksperimentą su tikru dūmu, o po dvejų ar trejų metų patekti į rinką ir paprasčiausiai išsinuomoti lazerio galios perdavimo punktą su arba be dronų. Bet jų planai yra didesni.

Prieš orbitą

Kosmoso metu lazerio energijos perdavimas bus dar efektyvesnis nei per orą: beveik nieko nėra spinduliuotės absorbuoti ir išsklaidyti. Šiuo metu daugelis kosminių aparatų gauna energiją iš saulės elementų, tačiau jų didžiuliai sparnai kosmose kelia daug problemų. "Plokščių dydis yra proporcingas energijos poreikiui, – sako Ivanas Matsakas." Reikia daug energijos – reikalingos didelės baterijos, padidėja erdvėlaivių masė, didėja degalų masė, mažėja naudingoji apkrova. "

Be to, kai kuriuose palydovuose saulės palydovai nėra niekur įdiegti. Šiuolaikinių mikrosatellitų matmenys išmatuojami dešimtimis centimetrų ir geriausiu atveju leidžia įdėti keletą kvadratinių decimetrų saulės baterijų. Dizaineriai turi kovoti dėl kiekvieno suvartoto vato, o tai nereiškia, kad tokiems įrenginiams (pvz., Elektriniam reaktyviniam varikliui išlaikyti orbitą) reikės daug energijos suvartoti. Mikrosatelitai paprastai gyvena keletą mėnesių, atlieka savo užduotis ir degina atmosferą. Tačiau lazeris gali būti įkraunamas tiesiai iš TKS, prailginant tarnavimo laiką.

Ir ši idėja bus išbandyta artimiausiais metais.Ivano Matsako ir jo kolegų sukurtas kosminis eksperimentas "Pelikanas" leis išbandyti naują energijos perdavimo būdą iš Rusijos segmento ISS į "Progress" krovininio laivo lentą. 1 km atstumu nuo lazerio spindulio bus 30-40 cm skersmens, o ant to paties dydžio fotodetektoriaus. Norint perduoti energiją iš Žemės, reikalinga papildoma fokusavimo sistema. Pasak mokslininkų, šis vaidmuo gali atlikti įprastą teleskopą su 2 m skersmens veidrodžiu.

Mokslininkai įvertino galimybę naudoti tokią sistemą įprastam dideliam palydovui prijungti. "Paimkime tokį įrenginį kaip" Resurs-P ", – paaiškina Vitalijus Kapranovas." Jo 5 × 5 m saulės baterijos gali būti pakeistos 1 × 1 m imtuvu, o palydovą dar labiau palengvins 1,5 karto. Tai galėtų sumažinti reikalavimus. į savo raketos galingumą arba įdėti daugiau priemonių. "

Tačiau inžinieriai yra pasirengę eiti dar toliau ir į kosmosą išvesti visą jėgainę – palydovą su galingu jėgaine, pagrįstu branduoliniu reaktoriumi ir lazerio energijos siųstuvu. Toks prietaisas galės vienu metu valdyti daugybę palydovų – pavyzdžiui, tarpusavyje sujungtų vilkikų parkaskuri didžiulius telekomunikacijų palydovus pateiks dideliems orbitams. Teoriškai tokios jėgainės galės tiekti energiją ir tyrinėjimus kitose planetose. "Mes taip pat rengiame tokius projektus", – patikino RKK inžinieriai.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: