Прототип космічної сонячної електростанції, який був запущений на орбіту в січні, функціонує і вперше продемонстрував свою здатність бездротово передавати енергію в космосі і випромінювати на Землю енергію, яку можна виявити.
Бездротова передача енергії була продемонстрована MAPLE, однією з трьох ключових технологій, що випробовуються космічним демонстратором сонячної енергії (SSPD-1), першим космічним прототипом з проєкту космічної сонячної енергії Каліфорнійського технологічного інституту (SSPP). SSPP має на меті збирати сонячну енергію в космосі та передавати її на поверхню Землі.
Джерело: Сaltech
MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) — один з трьох ключових експериментів в рамках SSPD-1, складається з масиву гнучких легких мікрохвильових передавачів, що керуються спеціальними електронними мікросхемами, виготовленими з використанням недорогих кремнієвих технологій. За допомогою масиву передавачів енергія спрямовується в потрібне місце. Для того, щоб SSPP стала реальністю, решітки для передачі енергії повинні бути легкими, щоб мінімізувати кількість палива, необхідного для їх відправки в космос, гнучкими, щоб їх можна було скласти в пакет, який можна транспортувати в ракеті, і в цілому недорогими технологіями.
MAPLE була розроблена командою Каліфорнійського технологічного інституту на чолі з Алі Хаджимірі, професором електротехніки та медичної інженерії Брена і співдиректором SSPP.
Джерело: Сaltech
"Завдяки експериментам, які ми провели до цього часу, ми отримали підтвердження того, що MAPLE може успішно передавати енергію на приймачі в космосі, - каже Хаджимірі. "Ми також змогли запрограмувати масив так, щоб він спрямовував свою енергію на Землю, яку ми виявили тут, у Каліфорнійському технологічному інституті. Звісно, ми тестували його на Землі, але тепер знаємо, що він може пережити подорож у космос і працювати там".
Використовуючи конструктивну та деструктивну інтерференцію між окремими передавачами, група передавачів здатна змінювати фокус та напрямок енергії, яку вона випромінює — без жодної рухомої частини. Масив передавачів використовує точні елементи синхронізації для динамічного фокусування енергії в потрібному місці за допомогою когерентного додавання електромагнітних хвиль. Це дозволяє передавати більшу частину енергії саме в потрібне місце і нікуди більше.
MAPLE оснащений двома окремими приймачами, розташованими на відстані близько фута від передавача, які приймають енергію, перетворюють її на електрику постійного струму (DC) і використовують її для запалювання пари світлодіодів, щоб продемонструвати повну послідовність бездротової передачі енергії на відстані в просторі. MAPLE перевірив це в космосі, запаливши кожен світлодіод окремо і переміщуючись між ними вперед і назад. Експеримент не є герметичним, тому він піддається впливу суворих космічних умов, включаючи широкі перепади температури та сонячне випромінювання, з якими колись зіткнуться великомасштабні сонячні електростанції.
Фотографія з космосу внутрішнього простору MAPLE, з передавальною решіткою праворуч і приймачами ліворуч.
Джерело: SSPP
"Наскільки нам відомо, ніхто ще не демонстрував бездротову передачу енергії в космосі навіть за допомогою дорогих жорстких конструкцій. Ми ж робимо це за допомогою гнучких легких конструкцій та власних інтегральних схем. Це вперше", — каже Хаджимірі.
MAPLE також містить невелике вікно, через яке масив може випромінювати енергію. Ця передана енергія була виявлена приймачем на даху Інженерної лабораторії Гордона і Бетті Мур в кампусі Каліфорнійського технологічного інституту в Пасадені. Прийнятий сигнал з'явився в очікуваний час і на очікуваній частоті, і мав правильний зсув частоти, як і було передбачено на основі його руху з орбіти.
Окрім демонстрації того, що передавачі потужності можуть пережити запуск (який відбувся 3 січня), космічний політ і продовжувати функціонувати, експеримент надав корисний зворотний зв'язок інженерам SSPP. Антени передавачів енергії об'єднані в групи по 16 штук, кожна з яких керується однією повністю виготовленою на замовлення мікросхемою гнучкої інтегральної схеми, і команда Хаджимірі зараз оцінює роботу окремих елементів системи, оцінюючи інтерференційні картини менших груп і вимірюючи різницю між різними комбінаціями. Цей кропіткий процес, який може зайняти до шести місяців, дозволить команді розібратися з порушеннями і відстежити їх до окремих блоків, що дасть змогу розробити наступне покоління системи.
Виявлення енергії від MAPLE на даху лабораторії Мура.
Джерело: Алі Хаджимірі
Космічна сонячна енергетика дозволяє використовувати практично необмежені запаси сонячної енергії в космічному просторі, де енергія постійно доступна, не залежачи від циклів дня і ночі, пір року і хмарного покриву — потенційно даючи у вісім разів більше енергії, ніж сонячні панелі в будь-якій точці на поверхні Землі. Після повної реалізації SSPP розгорне сузір'я модульних космічних апаратів, які збиратимуть сонячне світло, перетворюватимуть його на електроенергію, а потім перетворюватимуть її на мікрохвилі, що передаватимуться бездротовим зв'язком на великі відстані туди, де вона необхідна — в тому числі в місця, які наразі не мають доступу до надійного енергопостачання.
"Гнучкі решітки для передачі електроенергії мають важливе значення для поточного проєкту Каліфорнійського технологічного інституту — сузір'я сонячних панелей, схожих на вітрила, які розгортаються після досягнення орбіти", - говорить Серджіо Пеллегріно, професор аерокосмічної та цивільної інженерії імені Джойс і Кента Креза і співдиректор SSPP.
"Так само, як Інтернет демократизував доступ до інформації, ми сподіваємося, що бездротова передача енергії демократизує доступ до енергії", — каже Хаджимірі. "Для отримання цієї енергії не потрібна буде наземна інфраструктура передачі енергії. Це означає, що ми зможемо надсилати енергію у віддалені регіони і райони, зруйновані війною або стихійним лихом".
SSPP розпочала свою діяльність у 2011 році після того, як філантроп Дональд Брен, голова компанії Irvine Company і довічний член Опікунської ради Каліфорнійського технологічного інституту, ще молодою людиною вперше дізнався про потенціал космічної сонячної енергетики зі статті в журналі "Популярна наука". Заінтригований потенціалом космічної сонячної енергетики, у 2011 році Брен звернувся до тодішнього президента Каліфорнійського технологічного інституту Жана-Лу Шамо, щоб обговорити створення дослідницького проєкту з космічної сонячної енергетики. У наступні роки Брен і його дружина, Бріджит Брен, яка також є членом правління Каліфорнійського технологічного інституту, погодилися зробити пожертву для фінансування проєкту. Перше з пожертвувань Каліфорнійському технологічному інституту (яке в кінцевому підсумку перевищить 100 мільйонів доларів на підтримку проєкту і професорські стипендії) було зроблено через Фонд Дональда Брена.
"Наполеглива праця і відданість блискучих вчених Каліфорнійського технологічного інституту наблизили нашу мрію про забезпечення світу великою кількістю надійної і доступної енергії на благо всього людства", — говорить Брен.
"Перехід до відновлюваної енергетики, що має вирішальне значення для майбутнього світу, сьогодні обмежений проблемами зберігання та передачі енергії. Передача сонячної енергії з космосу — це елегантне рішення, яке стало на крок ближчим до реалізації завдяки щедрості та передбачливості Бренів", — говорить президент Каліфорнійського технологічного інституту Томас Ф. Розенбаум. "Дональд Брен поставив перед людством грандіозний технічний виклик, який обіцяє неабияку вигоду: світ, що живиться безперебійною відновлюваною енергією".
На додаток до підтримки, отриманої від Бренів, корпорація Northrop Grumman також надала Калтеху $12,5 млн протягом трьох років в рамках угоди про спонсорські дослідження між 2014 і 2017 роками, що сприяло розвитку технологій і просуванню науки в рамках проєкту.
"Демонстрація бездротової передачі енергії в космосі за допомогою легких конструкцій є важливим кроком на шляху до космічної сонячної енергетики та широкого доступу до неї в усьому світі", — говорить Гаррі Етуотер, завідувач кафедри інженерії та прикладних наук Отіса Бута, професор прикладної фізики та матеріалознавства Говарда Хьюза, директор Liquid Sunlight Alliance та один з головних дослідників проєкту. "Сонячні панелі вже використовуються в космосі, наприклад, для живлення Міжнародної космічної станції, але для запуску та розгортання достатньо великих масивів, щоб забезпечити енергією Землю, СЕС має спроєктувати та створити надлегкі, дешеві та гнучкі системи передачі сонячної енергії".
Окремі блоки СЕС складатимуться в пакети об'ємом близько 1 кубічного метра, а потім розгортатимуться в плоскі квадрати розміром близько 50 метрів у стороні, з сонячними елементами на одній стороні, спрямованими до сонця, і бездротовими передавачами енергії на іншій стороні, спрямованими до Землі.
Космічний корабель Momentus Vigoride, запущений на борту ракети SpaceX в рамках місії Transporter-6, доставив 50-кілограмовий SSPD в космос. Momentus забезпечує постійну підтримку Каліфорнійському технологічному інституту, включаючи передачу даних, зв'язок, управління і телеметрію, а також ресурси для оптимальної фотозйомки і освітлення сонячних батарей. Весь набір з трьох прототипів в рамках SSPD був розроблений, спроєктований, побудований і протестований командою з близько 35 осіб — викладачами, постдоками, аспірантами і студентами — в лабораторіях Каліфорнійського технологічного інституту.
Крім MAPLE, SSPD проводить ще два основні експерименти: DOLCE (Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment) — конструкція розміром 6 футів на 6 футів, яка демонструє архітектуру, схему пакування і механізми розгортання модульного космічного корабля; і ALBA — колекція з 32 різних типів фотоелектричних елементів для оцінки типів елементів, які є найбільш ефективними в суворому космічному середовищі. Випробування сонячних елементів ALBA ще тривають, а SSPP ще не намагалася розгорнути DOLCE на момент публікації. Результати цих експериментів очікуються в найближчі місяці.
Статтю перекладено. Джерело
Компанія СЕА пропонує по вигідним цінам популярне обладнання для мережевих сонячних, гібридних та автономних сонячних електросистем від світових виробників. Панелі, інвертори та конектори доступні зі складу в Києві та готові для відвантаження!
Придбати товари для сонячних електросистем і отримати додаткову інформацію можна, звернувшись до відділу продажу електротехнічної продукції Компанії СЕА за телефоном +38 (044) 330-00-88, або надіславши запит на електронну адресу: info@sea.com.ua
