Впервые космический демонстратор солнечной энергии беспроводным способом передает энергию в космос

16.06.2023
2433

Прототип космической солнечной электростанции, запущенный на орбиту в январе, функционирует и впервые продемонстрировал свою способность беспроводной передачи энергии в космосе и излучения на Землю энергии, которую можно обнаружить.

Беспроводная передача энергии была продемонстрирована MAPLE, одной из трёх ключевых технологий, испытываемых космическим демонстратором солнечной энергии (SSPD-1), первым космическим прототипом проекта космической солнечной энергетики Калифорнийского технологического института (SSPP). SSPP направлен на сбор солнечной энергии в космосе и её передачу на поверхность Земли.

Источник: Caltech

MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) — один из трёх ключевых экспериментов в рамках SSPD-1, состоит из массива гибких лёгких микроволновых передатчиков, управляемых специальными электронными микросхемами, изготовленными с использованием недорогих кремниевых технологий. С помощью этого массива энергия направляется в нужное место. Чтобы SSPP стал реальностью, решётки для передачи энергии должны быть лёгкими, чтобы минимизировать количество топлива, необходимого для их отправки в космос, гибкими, чтобы их можно было сложить в компактный пакет для транспортировки в ракете, и при этом изготовленными по недорогим технологиям.

MAPLE была разработана командой Калифорнийского технологического института под руководством Али Хаджимири, профессора электротехники и биомедицинской инженерии Брена и содиректора SSPP.

Источник: Caltech

"Благодаря проведённым экспериментам мы получили подтверждение того, что MAPLE может успешно передавать энергию на приёмники в космосе," — говорит Хаджимири. "Мы также смогли запрограммировать массив так, чтобы он направлял энергию на Землю, которую мы зафиксировали здесь, в Калифорнийском технологическом институте. Конечно, мы тестировали его на Земле, но теперь знаем, что он способен выдержать полёт в космос и работать там."

Используя конструктивную и деструктивную интерференцию между отдельными передатчиками, группа может изменять фокус и направление энергии, которую она излучает, без единой подвижной части. Массив передатчиков использует точные элементы синхронизации для динамического фокусирования энергии в нужном месте посредством когерентного сложения электромагнитных волн. Это позволяет передавать большую часть энергии именно туда, где она нужна, и не рассеивать её впустую.

MAPLE оснащён двумя отдельными приёмниками, расположенными на расстоянии около фута от передатчика, которые принимают энергию, преобразуют её в постоянный ток (DC) и используют для зажигания пары светодиодов, демонстрируя полную последовательность беспроводной передачи энергии на расстоянии в космосе. MAPLE подтвердил это, зажигая каждый светодиод поочерёдно и переключаясь между ними. Эксперимент не герметичен, поэтому подвергается воздействию суровых космических условий, включая большие перепады температур и солнечное излучение, с которыми в будущем столкнутся крупномасштабные солнечные электростанции.

Фотография из космоса внутреннего пространства MAPLE, с передающей решёткой справа и приёмниками слева.
Источник: SSPP

"Насколько нам известно, никто ранее не демонстрировал беспроводную передачу энергии в космосе даже с использованием дорогих жёстких конструкций. Мы же делаем это с помощью гибких лёгких структур и собственных интегральных схем. Это впервые," — говорит Хаджимири.

MAPLE также содержит небольшое окно, через которое массив может излучать энергию. Эта переданная энергия была зафиксирована 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 с правильным частотным сдвигом, как и было предсказано на основе его орбитального движения.

Кроме демонстрации того, что передатчики энергии могут выдержать запуск (который состоялся 3 января), космический полёт и продолжить работу, эксперимент предоставил инженерам SSPP полезную обратную связь. Антенны передатчиков объединены в группы по 16 штук, каждая из которых управляется одной индивидуально разработанной гибкой интегральной схемой. Команда Хаджимири сейчас анализирует работу отдельных элементов системы, оценивая интерференционные картины меньших групп и измеряя различия между комбинациями. Этот кропотливый процесс, который может занять до шести месяцев, позволит команде выявить сбои и усовершенствовать следующее поколение системы.

Обнаружение энергии от MAPLE на крыше лаборатории Мура.
Источник: Али Хаджимири

Космическая солнечная энергетика позволяет использовать практически неограниченные запасы солнечной энергии в космосе, где она доступна постоянно, независимо от циклов дня и ночи, времени года и облачности — потенциально обеспечивая в восемь раз больше энергии, чем солнечные панели на поверхности Земли. После полной реализации SSPP развернёт созвездие модульных космических аппаратов, которые будут собирать солнечный свет, преобразовывать его в электроэнергию, а затем в микроволны, передаваемые беспроводным путём туда, где энергия необходима — в том числе в регионы, не имеющие доступа к надёжному энергоснабжению.

"Гибкие решётки для передачи энергии имеют ключевое значение для текущего проекта Калифорнийского технологического института — созвездия солнечных панелей, похожих на паруса, которые разворачиваются после выхода на орбиту," — говорит Серджио Пеллегрино, профессор аэрокосмической и гражданской инженерии Джойс и Кента Креза и содиректор SSPP.

"Так же, как Интернет демократизировал доступ к информации, мы надеемся, что беспроводная передача энергии демократизирует доступ к энергии," — говорит Хаджимири. "Для получения этой энергии не потребуется наземная инфраструктура передачи. Это означает, что мы сможем доставлять энергию в отдалённые регионы и районы, разрушенные войной или стихийными бедствиями."

SSPP начала свою деятельность в 2011 году после того, как филантроп Дональд Брен, глава компании Irvine Company и пожизненный член Попечительского совета Калифорнийского технологического института, ещё в молодости узнал о потенциале космической солнечной энергетики из статьи в журнале "Популярная наука". Заинтересовавшись возможностями этой технологии, Брен в 2011 году обратился к тогдашнему президенту Калтеха Жану-Лу Шамо с предложением создать исследовательский проект по космической солнечной энергетике. В последующие годы Брен и его жена, Бриджит Брен, также член Попечительского совета, согласились финансировать проект. Первое пожертвование Калтеху (в конечном итоге превышающее 100 миллионов долларов на поддержку проекта и профессорские стипендии) было сделано через Фонд Дональда Брена.

"Упорный труд и преданность блестящих учёных Калтеха приблизили нашу мечту о мире, обеспеченном надёжной и доступной энергией на благо всего человечества," — говорит Брен.

"Переход к возобновляемой энергетике, столь важный для будущего планеты, сегодня ограничен проблемами хранения и передачи энергии. Передача солнечной энергии из космоса — элегантное решение, которое стало на шаг ближе к реализации благодаря щедрости и дальновидности семьи Брен," — говорит президент Калифорнийского технологического института Томас Ф. Розенбаум. "Дональд Брен поставил перед человечеством грандиозный технический вызов, сулящий огромные выгоды: мир, питающийся непрерывной возобновляемой энергией."

В дополнение к поддержке, полученной от семьи Брен, корпорация Northrop Grumman также предоставила Калтеху $12,5 млн в течение трёх лет в рамках соглашения о спонсорских исследованиях между 2014 и 2017 годами, что способствовало развитию технологий и продвижению науки в рамках проекта.

"Демонстрация беспроводной передачи энергии в космосе с использованием лёгких конструкций является важным шагом на пути к космической солнечной энергетике и её широкому распространению во всём мире," — говорит Гарри Этуотер, заведующий кафедрой инженерии и прикладных наук Отиса Бута, профессор прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза, директор Liquid Sunlight Alliance и один из ведущих исследователей проекта. "Солнечные панели уже используются в космосе, например, для питания Международной космической станции, но для запуска и развёртывания массивов, способных снабжать энергией Землю, СЭС должна быть сверхлёгкой, недорогой и гибкой."

Отдельные блоки СЭС будут складываться в пакеты объёмом около 1 кубического метра, а затем разворачиваться в плоские квадраты размером около 50 метров с солнечными элементами на одной стороне, обращёнными к солнцу, и беспроводными передатчиками на другой, направленными к Земле.

Космический аппарат Momentus Vigoride, запущенный на борту ракеты SpaceX в рамках миссии Transporter-6, доставил 50-килограммовый SSPD на орбиту. Momentus обеспечивает постоянную поддержку Калтеху, включая передачу данных, связь, управление и телеметрию, а также ресурсы для оптимальной фотосъёмки и освещения солнечных батарей. Весь комплект из трёх прототипов в рамках SSPD был разработан, спроектирован, собран и протестирован командой из примерно 35 человек — преподавателей, постдоков, аспирантов и студентов — в лабораториях Калтеха.

Помимо MAPLE, SSPD проводит ещё два основных эксперимента: DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment) — конструкция размером 6×6 футов, демонстрирующая архитектуру, упаковку и механизмы развёртывания модульного космического аппарата; и ALBA — коллекция из 32 различных типов фотоэлектрических элементов для оценки их эффективности в суровых условиях космоса. Испытания солнечных элементов ALBA всё ещё продолжаются, а SSPP пока не пыталась развернуть DOLCE на момент публикации. Результаты ожидаются в ближайшие месяцы.

Статья переведена. Источник

Приобрести товары для солнечных электросистем и получить дополнительную информацию можно, обратившись в отдел продаж электротехнической продукции Компании СЭА по телефону +38 (044) 330-00-88 или отправив запрос на электронную почту: info@sea.com.ua