Энергетический вайфай

Два знаковых события приблизили человечество к созданию глобальной беспроводной энергетической сети. Во-первых, компания Airbus представила прототип системы получения энергии в космосе и передачи ее на Землю. Во-вторых, инженеры Агентства перспективных оборонных проектов США (DARPA) сообщили о разработке бортовых оптических реле — ключевого элемента будущей распределительной системы, которую часто называют "энергетическим интернетом".

Беспроводные заряжающие устройства для мобильных телефонов и ноутбуков уже существуют. Электробус пополняет аккумуляторы без кабельного подключения к сети — просто заезжая на специальные бесконтактные площадки. Но "энергетический вайфай", основанный на индукционном принципе, способен распространять лишь малые токи и в очень ограниченном радиусе. Чтобы "раздавать" энергию на большие расстояния, нужны совсем другие технологии.

Идею о передаче энергии по воздуху с помощью электромагнитных волн впервые высказал в конце XIX века Никола Тесла. Он предлагал создать по всему миру сеть приемо-передающих станций, состоящих из высокочастотных генераторов, электрических осцилляторов и резонансных приемников с высоким выходным током. Изобретатель считал, что такая система избавит человечество от дорогостоящих высоковольтных линий и объединит все мировые источники энергии.

В январе 1902-го Тесла получил патент на "Аппарат для передачи электрической энергии". Главным элементом была передающая катушка-резонатор (катушка Теслы). Чтобы продемонстрировать возможности изобретения на практике, ученый построил на острове Лонг-Айленд (недалеко от Манхэттена) телекоммуникационную установку. Ее он назвал башней Ворденклиф — по имени юриста и предпринимателя, который приобрел участок для эксперимента.

Проект поддержали влиятельные промышленники и венчурные капиталисты, в том числе — известный банкир и акционер первой в мире Ниагарской ГЭС Дж. П. Морган. Однако в 1903-м, когда башню почти построили, Морган испугался, что изобретение может обрушить энергетический рынок. Он прекратил финансирование и призвал других инвесторов последовать его примеру. У Теслы начались трудности со средствами, а в мае 1905-го истек срок патента. Установка так и не заработала.

В последние годы интерес к технологиям беспроводной передачи энергии резко возрос. Прежде всего благодаря проектам по космической солнечной энергетике, которые разрабатывают НАСА, ЕКА, а также национальные космические агентства Великобритании, Китая и Японии.

О возможности сбора солнечной энергии в космосе писал еще Константин Циолковский в 1920-х. Но датой рождения астроэнергетики традиционно считают 1968-й: тогда американский инженер Питер Глейзер — автор концепции спутников на солнечных батареях — предложил технологию передачи собранной в космосе энергии на Землю с помощью СВЧ под названием "Энергетический луч". Ученый считал, что микроволновое излучение, поступающее на приемные антенны (ректенны), можно преобразовывать в электрическую энергию, передаваемую в энергосистему.

У космических солнечных станций, если сравнивать их с наземными, есть важные преимущества. Прежде всего, они способны работать непрерывно — ведь Солнце в космосе никогда не заходит. К тому же они могут собирать весь поток лучей целиком — в то время как на Земле значительная его часть поглощается или отражается, проходя через атмосферу. Отпадает и необходимость в сложной и дорогостоящей инфраструктуре: линиях электропередачи, кабелях и трансформаторах — распределение идет напрямую потребителям с помощью энергетических лучей.

Расчеты экспертов НАСА показывают, что одна крупная орбитальная станция-спутник (SPS — solar power satellite) с поверхностью солнечных элементов около двух километров в поперечнике может вырабатывать энергии не меньше, чем средних размеров АЭС или ГЭС. Проблема в том, что при передаче ее на Землю до 80 процентов теряется.

Поэтому основная задача ученых — разработать эффективную технологию преобразования, доставки и распределения собранной в космосе энергии. На практике это можно сделать двумя путями — используя СВЧ-передатчики или лазеры. Первый способ позволяет передавать потоки энергии в промышленных масштабах. Кроме того, он менее опасен для человека. Второй больше подходит для точечного питания конкретных устройств.

После Николы Теслы экспериментами по беспроводной передаче энергии с помощью СВЧ-излучения занимались разные ученые, в том числе академик Петр Капица. На практике энергопередачу высокой мощности с использованием микроволн впервые осуществили в обсерватории НАСА "Голдстоун" в Калифорнии в 1975-м, а затем повторили в "Гранд-Бассине" на острове Реюньон в 1997 году. В ходе экспериментов десятки киловатт "переместили" на расстояние около одного километра.

Сложность в создании энергетического микроволнового луча заключается в его расхождении — дифракции. Например, согласно расчетам специалистов НАСА, для луча частотой 2,45 ГГц, соответствующего мощности 750 МВт, диаметр передающей антенны должен быть не менее одного километра, а приемной ректенны — не менее десяти.

Эти размеры можно снизить, уменьшив длину волн. Но чем они короче, тем сильнее поглощаются атмосферой, водяной взвесью облаков, каплями дождя и туманом. Кроме того, невозможно сузить луч без пропорциональной потери в мощности.

В сентябре этого года европейский аэрокосмический гигант Airbus при поддержке сотрудников ЕКА на специальном полигоне, построенном на фабрике X-Works в Мюнхене, продемонстрировал, как будет передаваться энергия из космоса. С помощью микроволнового излучения энергетический луч прошел расстояние 36 метров между двумя точками, обозначенными как "Космос" и "Земля".

Для эксперимента построили мини-модель города. Беспроводную энергию использовали для его освещения, выработки водорода из воды и даже охлаждения безалкогольного пива для зрителей — бизнесменов и политиков Евросоюза, которые должны принять решение о поддержке проекта.

Технология, представленная на заводе Airbus, — одна из составляющих обширной программы Solaris Европейского космического агентства. Ее главный элемент — огромная солнечная панель, которую разместят на геостационарной орбите на высоте около 36 тысяч километров над Землей. Собранную энергию направят вниз — и она будет использована для питания межпланетных станций и космических телескопов.

По оценкам специалистов ЕКА, стоимость космической энергии будет не намного выше, чем в крупных наземных энергетических проектах — АЭС или энергопарках солнечной и ветровой генерации. А по мере строительства новых приемных антенн она начнет снижаться при достижении эффекта масштаба. Одна геостационарная солнечная ферма сможет генерировать около двух гигаватт электроэнергии, что эквивалентно выработке крупной АЭС.

ЕКА выступает за поэтапный ввод в эксплуатацию с середины 2030-х отдельных элементов программы Solaris с ее масштабированием от наземных к воздушным, а затем и к космическим системам беспроводной передачи энергии. Специалисты агентства отмечают: главная задача сейчас — найти способ снижения потерь в каждом из звеньев энергетической сети.

Огромный интерес к беспроводной энергетике проявляют и военные. Исследовательская лаборатория ВВС США (AFRL — Air Force Research Laboratory) уже несколько лет реализует проект SSPIDR (Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research). Его цель — отработка технологий сбора солнечной энергии в космосе и передачи для использования на Земле. В первую очередь ее планируют использовать для бесперебойного энергообеспечения наземных боевых подразделений и дальней авиации. Но в будущем методику могут применять и в гражданской сфере — в труднодоступных районах, где нет электросетей, в морских акваториях и так далее.

НАСА совместно с ВВС США уже провели несколько экспериментов по проверке возможности преобразования солнечной энергии в радиочастотное микроволновое излучение. В частности, на борту многоразового экспериментального орбитального самолета X-37В, совершившего свой шестой полет в мае-ноябре этого года, установили фотоэлектрический антенный модуль PRAM-FX. Устройство не передает энергию на Землю, но позволяет оценить эффективность преобразования, которое происходит на специальных многослойных сэндвич-панелях, закрепленных на летательном аппарате.

Предполагается, что в перспективе спутники SPS будут состоять из тысяч таких элементов. Для их тестирования НАСА планирует в 2023-м развернуть на базе МКС внешнюю орбитальную платформу Alpha Space, а в 2024 году запустить на орбиту космический корабль Arachne от Northrop Grumman, задача которого — провести первую демонстрационную передачу энергии из космоса на Землю.

Параллельно Управление тактических технологий Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) изучает возможность использования радиочастотного излучения и ретрансляции для создания беспилотных воздушных систем распределения энергии на земле. В DARPA ищут беспроводную технологию, способную передавать энергию на расстояние от 100 метров до одного километра для питания передвижных объектов.

Специалисты агентства считают: если они найдут способ эффективного преобразования и ретрансляции радиочастотной энергии в электрическую и обратно, то смогут задействовать для решения этой задачи небольшие БПЛА вместо традиционно рассматриваемых пилотируемых систем большой мощности. Первые результаты обнадеживают, но КПД системы остается крайне низким — на каждом узле преобразования теряется от 50 до 80 процентов энергии. Поэтому пока возможно реализовать только одноэтапную передачу.

Для преодоления этого препятствия в DARPA реализуют программу по созданию постоянных оптических беспроводных реле энергии POWER (Persistent Optical Wireless Energy Relay), способных эффективно передавать энергетический луч от наземных лазеров через высотные ретрансляторы конечным потребителям на земле и в воздухе. Кроме того, по мнению разработчиков, такие ретрансляторы дадут возможность создавать в будущем многолучевые беспроводные энергетические сети.

"Использование устойчивых многолучевых сетей — это настоящий энергетический интернет, позволяющий передавать и перераспределять энергию между потребителями, — приводятся в пресс-релизе ведомства слова руководителя энергетической программы Управления тактических технологий полковника Пола Калхуна. — Энергетические проблемы особенно остро стоят перед военными. Нам часто приходится работать вдали от устоявшейся энергетической инфраструктуры, полагаясь лишь на жидкое топливо, для которого требуются надежные линии снабжения. Данная разработка поможет решить эту проблему".

История показывает, что технологические прорывы часто связаны с появлением новых систем коммуникаций — будь то изобретение колеса, железных дорог, телефонной связи или интернета. По мнению ученых, очередным триггером для нового витка развития человечества вполне может стать глобальная беспроводная энергетическая сеть, обеспечивающая бесперебойное снабжение потребителей на земле, в воздухе, на море, под водой и в космосе.