Transferul de energie cu laser cum funcționează

Pentru "razele morții" suntem folosiți încă din copilărie, cu mult înainte de apariția laserelor, chiar și cu "Războiul lumilor" și "Inginerul hiperboloidului Garin". Armata dorește să pună în funcțiune laserele de luptă pentru a distruge rachetele, dronii și tovarășii inamicului. Dar ei nu pot purta moartea, ci o mica energie de viata.







"UAV-urile au devenit un subiect foarte popular. Pentru ceea ce nu încearcă să folosească - ele și pizza sunt transportate, iar câmpul de luptă este recunoscut ... În același timp, toată lumea trebuie să depășească obstacolul principal - un timp de zbor prea scurt. Multicoptrii stau în aer timp de 10-20 de minute, la cele mai moderne baterii - 25-30. Acest lucru este de multe ori nu este suficient ", - spune un inginer de la RSC Energia Vitaly Kapranov.

De fapt, multe dispozitive trebuie să rămână în aer timp de ore, ceea ce duce monitorizarea conductelor sau a cailor ferate de stat, zonele afectate de dezastre aeriene, zone de protecție, relocării radio. Pentru astfel de sarcini, este posibil să se folosească droni de tip "aeronavă" cu motoare cu combustie internă, dar nu sunt prea manevrabili și nu pot să stea la un moment dat. În multe cazuri, quadrocopter electrice convenabil, și utilizatorii lor sunt pe diferite ture, pentru a prelungi durata de lucru: transporta baterii suplimentare sau de înlocuire drone pentru a efectua un înlocuitor rapid ca de evacuare odată ce dispozitivul este încărcat.

Modelele individuale de dronuri funcționează "pe o leșie", primind electricitate de la sol. Cu toate acestea, firele sunt grele, sunt suflate de vânt împreună cu drona însăși, iar limita de înălțime pentru astfel de dispozitive rar depășește 200 m, înălțimea de 1 km este deja imposibil de atins. Se fac încercări de a alimenta dronii peste fibra optică, trimițând impulsuri laser infraroșu în partea superioară. Este de zece ori mai ușoară decât o sârmă de metal - dar, din păcate, nu este destinată transferării unor capacități mari și se supraîncălzește cu ușurință, ceea ce complică foarte mult lucrurile.

Puterea de "legare" a dronilor este inevitabilă - dar poate deveni destul de lipsită de greutate și aproape infinită, alimentând direct aparatul, cu un fascicul laser curat. Un astfel de proiect este dezvoltat de Vitaliy Kapranov, Ivan Matsak și un grup de tineri ingineri din cadrul Comitetului pentru Proiecte inovatoare (KIPM) al RSC Energia. "Tehnologia noastră poate asigura funcționarea în timp util a dronilor fără a fi necesară reîncărcarea", spune Ivan.

Despre beneficiile arsenidului

Lumina din fotocelule se transformă în electricitate datorită efectului fotoelectric: fotonii cu energie înaltă "distrug" electronii din material - și apare un curent. Diferitele semiconductori se caracterizează prin eficiența conversiei luminii și sensibilitatea diferită la radiații cu diferite lungimi de undă. De regulă, celulele solare sunt făcute din siliciu, este ieftin, dar de obicei se transformă în curent nu mai mult de 10% din energia luminii incidente. Arsenidul de galiu (GaAs) este mai scump, dar și mai eficient. În domeniul infraroșu, la o lungime de undă de aproximativ 808 nm, performanța sa atinge 60%.

Acest lucru a dat naștere unei moduri deosebite pentru crearea unor autovehicule aeriene fără pilot autonome, capabile să-și asigure propriile nevoi energetice de la panourile solare de la bord. Cu toate acestea, soarele emite într-o gamă largă de valuri, iar panoul trebuie făcut "universal", capabil să capteze fotoni de diferite energii. Fasciculul laser face posibilă lucrul mult mai biologic: are o frecvență strict definită și vă permite să selectați în prealabil materialul fotocallului, astfel încât fotonii acestei lungimi de undă particulare să scape numărul maxim de electroni din el. Acest lucru crește eficiența sistemului de alimentare, reduce dimensiunea și greutatea acestuia.







Proiectul, pe care Kapranov, Matsak și colegii lor lucrează, utilizează lasere cu infraroșu cu două lungimi de undă - 808 și 1064 nm - pentru a transmite energia. Fascicolul de 808 nanometri este ghidat de fotocelule bazate pe arsenid de galiu cu o eficiență de conversie a energiei de până la 40%. Dar această lungime de undă este bună numai la distanțe mici: deja la o distanță de kilometru fasciculul va crește într-o dimensiune de măsură. "Cu 1064 nm, pierdem eficiență de 10%, dar pe un kilometru fasciculul dă un spot doar de 3 cm", explică Kapranov.

O stație de încărcare cu un sistem de direcționare poate furniza în mod continuu o dronă cu energie dacă nu zboară din vedere sau dacă dispozitivul zboară de-a lungul unui anumit traseu și se reîncarcă la un anumit punct al traiectoriei sale. Dacă este necesar, astfel puteți păstra UAV-ul în aer timp de câteva zile, în multe cazuri obținând o alternativă ieftină la nava spațiale.

Eficiența conversiei energiei

Radiație monocromatică (809 nm), receptor cu optică de concentrare, conexiune paralelă cu fotocelule.

De la acoperiș până la acoperiș

Până în prezent, inginerii de la Comitetul pentru Proiecte de Inovare a Proiectelor de Energie au dezvoltat deja un sistem de ghidare cu fascicul laser care păstrează cu atenție droneta. Monitorizează dispozitivul, concentrându-se pe reflectarea semnalului unui laser slab "de navigație" de la un reflector de colț pe corp, cu o precizie de 0,1 °. Ghidarea ulterioară oferă o oglindă miniaturală în interiorul sistemului optic al "armei laser". Vă permite să schimbați direcția fasciculului cu o mie de metri, focalizați pe fluxul de energie din celulele fotodetectorului și pentru a atinge nivelul maxim de energie primit.

În spațiu, transferul de energie cu laser va fi și mai eficient decât în ​​aer: nu există aproape nimic de absorbit și împrăștiat radiații. Acum multe vehicule spațiale primesc energie de la panourile solare, dar aripile lor masive în spațiu creează multe probleme. "Dimensiunea panourilor este proporțională cu cerințele de putere", spune Ivan Matsak. - Aveți nevoie de multă energie - aveți nevoie de baterii mari. Masa navei spațiale crește, masa combustibilului crește, iar sarcina utilă scade. "

În plus, pentru unii sateliți, bateriile solare pur și simplu nu au unde să pună. Dimensiunile microsatellitelor moderne sunt măsurate în zeci de centimetri și permit plasarea în cel mult mai multe centimetri pătrați de panouri solare. Proiectanții trebuie să lupte pentru fiecare consumat de watt și chiar să pună pe dispozitivele respective o încărcătură consumatoare de energie (de exemplu, un motor alimentat cu energie electrică pentru a menține orbita) și nu există nicio îndoială. Microsatelitele trăiesc de obicei de câteva luni, își îndeplinesc sarcina și ard în atmosferă. Dar laserul ar putea fi reîncărcat direct de la ISS, prelungind durata de viață.

Și această idee va fi testată în următorii ani. Dezvoltat de Ivan Matsak și colegii săi, experimentul spațial "Pelikan" va testa un nou mod de a transfera energia din segmentul rus al ISS către nava spațială "Progress". La o distanță de 1 km, fața din fasciculul laser va avea un diametru de 30-40 cm, ajungând la un fotodetector de aceeași dimensiune. Pentru a transfera energia de pe Pământ, va fi necesar un sistem suplimentar de focalizare - potrivit calculelor oamenilor de știință, în acest rol poate juca un telescop normal cu o oglindă cu un diametru de aproximativ 2 m.

Oamenii de știință au estimat posibilitatea utilizării unui astfel de sistem pentru alimentarea cu energie a unui satelit tipic mare. "Să luăm un astfel de aparat ca Resource-P", explică Vitaly Kapranov. - Celulele sale solare cu o suprafață de 5 × 5 m pot fi înlocuite cu un receptor care măsoară 1 × 1 m și, în plus, pentru a facilita satelitul cu un factor de 1,5. Asta ar fi, am putea reduce cerințele pentru puterea rachetei care o duce sau pune mai multe instrumente. "

Dar inginerii sunt gata să meargă mai departe și să aducă în spațiu o întreagă centrală electrică - un satelit cu o centrală puternică bazată pe un reactor nuclear și cu un transmițător de energie cu laser. Un astfel de dispozitiv va putea să alimenteze o mulțime de sateliți simultan - de exemplu, o flotă de remorchere interorbitale care va conduce cei mai buni sateliți de telecomunicații la orbite mari. Teoretic, astfel de centrale electrice vor fi capabile să furnizeze energie și cercetări pe alte planete. "Lucrăm și la astfel de proiecte", ne-au asigurat inginerii RKK.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: