Ученые впервые в мире передают солнечную энергию из космоса на Землю
Солнечная энергия — самый быстрорастущий вид возобновляемой энергии. В настоящее время на ее долю приходится 3,6 % мирового производства электроэнергии. Это делает его третьим по величине источником энергии на рынке возобновляемых источников энергии, за которым следуют гидроэлектроэнергия и энергия ветра.
Ожидается, что эти три метода будут расти в геометрической прогрессии в ближайшие десятилетия, достигнув 40 % к 2035 году и 45 % к 2050 году. . Ожидается, что к середине века на возобновляемые источники энергии будет приходиться 90 % рынка энергии, а на солнечную — примерно половину.
Однако для того, чтобы этот переход произошел, необходимо решить ряд технических проблем и проблем. .
Основным ограничивающим фактором для солнечной энергии является прерывистость, то есть она может собирать энергию только при наличии достаточного количества солнечного света. Чтобы решить эту проблему, ученые десятилетиями исследовали космическую солнечную энергию (SBSP), при которой спутники на орбите будут собирать энергию 24 часа в сутки, 365 дней в году, без перерыва.
Чтобы разработать технологию, исследователи из проекта Space Solar Power Project (SSPP) в Калифорнийском технологическом институте недавно завершили первую успешную беспроводную передачу энергии с использованием микроволновой решетки для низкоорбитального эксперимента по передаче энергии (MAPLE).
MAPLE был разработан командой Калифорнийского технологического института. под руководством Али Хаджимири, профессора электротехники и медицинской инженерии Брена и содиректора SSPP. MAPLE — одна из трех ключевых технологий, протестированных космическим демонстратором солнечной энергии (SSPD-1).
Эта платформа состоит из набора гибких и легких микроволновых передатчиков, управляемых специальными электронными чипами. Демонстратор был построен с использованием недорогих кремниевых технологий, предназначенных для сбора солнечной энергии и передачи ее на нужные приемные станции по всему миру.
SSPP начал свою работу в 2011 году, когда Дональд Брен, пожизненный член Совета попечителей Калифорнийского технологического института, обратился к тогдашнему президенту Калифорнийского технологического института Жану-Лу Шамо, чтобы обсудить создание исследовательского проекта SBSP.
Брен и его жена (также попечитель Калифорнийского технологического института) согласились пожертвовать в общей сложности 100 миллионов долларов на финансирование проекта, в то время как Корпорация Northrop Grumman предоставила дополнительно 12,5 млн долларов. SSPD-1 был запущен 3 января на борту SpaceX Falcon 9 в рамках программы совместного использования и был развернут космическим кораблем Vigoride (предоставленным аэрокосмической компанией Momentus).
Чтобы SBSP был возможен, спутники должны быть легкими, чтобы их можно было запускать экономичным способом, и гибкими, чтобы их можно было поместить в обтекатели полезной нагрузки (аналогично космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST).
Гарри Этуотер, председатель правления Otis Booth из Отдела инженерии и прикладных наук, профессор прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза и директор Liquid Sunlight Alliance, является одним из главных исследователей проекта. Как он объяснил в пресс-релизе Калифорнийского технологического института:
«Демонстрация беспроводной передачи энергии в космосе с использованием легких конструкций — важный шаг к космической солнечной энергии и широкому доступу к ней во всем мире. Солнечные панели уже используются в космосе, например, для питания Международной космической станции, но чтобы запустить и развернуть достаточно большие массивы для обеспечения Земли электроэнергией, SSPP должна спроектировать и создать системы передачи солнечной энергии, которые будут сверхлегкими, дешевыми и гибкими».
Каждый блок SSPP весит около 50 кг (110 фунтов), что сравнимо с микроспутниками, которые обычно весят от 10 до 100 кг (от 22 до 220 фунтов). Каждая единица складывается в пакеты объемом около 1 м3 (35 футов3), а затем разворачивается в плоский квадрат диаметром около 50 м (164 фута) с солнечной батареей. ячейки с одной стороны и беспроводные передатчики энергии с другой.
Компоненты SPPD-1 негерметичны, что означает, что они подвергаются воздействию экстремальных температурных колебаний космоса. Помимо демонстрации того, что передатчики энергии могут выжить при запуске в космос, эксперимент предоставил инженерам SSPP полезную обратную связь.
«В ходе экспериментов, которые мы проводили до сих пор, мы получили подтверждение того, что MAPLE может успешно передавать энергию на приемники. в космосе», — сказал Хаджимири.
«Мы также смогли запрограммировать массив так, чтобы он направлял его энергию на Землю, что мы обнаружили здесь, в Калифорнийском технологическом институте. Мы, конечно, проверили его на Земле, но теперь мы знаем, что он может пережить путешествие в космос и работать там».
Демонстратор не имеет движущихся частей и полагается на конструктивные и деструктивные помехи между передающими антеннами для смещения фокуса и направления излучаемой энергии. Эти антенны сгруппированы в группы по 16 штук, каждая из которых управляется изготовленным на заказ гибким чипом интегральной схемы.
Они также полагаются на элементы точного управления синхронизацией и когерентное добавление электромагнитных волн, чтобы гарантировать, что излучаемая энергия достигает предполагаемая цель. Два массива приемников расположены примерно в 30 см (1 фут) от передающих антенн, которые преобразуют солнечную энергию в постоянный ток (DC).
Он используется для питания пары светодиодных ламп, демонстрируя полную последовательность беспроводная передача энергии. MAPLE успешно продемонстрировал это, зажигая каждый светодиод по отдельности и переключаясь между ними.
MAPLE также имеет небольшое окно, через которое массив может излучать энергию, которая была обнаружена приемником в Инженерной лаборатории Гордона и Бетти Мур Калифорнийского технологического института. Этот сигнал был получен в ожидаемое время и на частоте, а также имел предсказанный частотный сдвиг, основанный на его орбите.
«Насколько нам известно, никто никогда не демонстрировал беспроводную передачу энергии в космосе, даже с дорогими жесткими структуры, — сказал Хаджимири. «Мы делаем это с помощью гибких легких структур и наших собственных интегральных схем. Это впервые».
В настоящее время команда оценивает производительность отдельных элементов системы, проверяя интерференционные картины небольших групп и измеряя разница между комбинациями. Этот процесс может занять до шести месяцев, что дает команде достаточно времени для обнаружения нарушений и разработки решений для информирования следующего поколения солнечных спутников.
Помимо MAPLE, SSPD-1 проводит два других основных эксперимента. . Это развертываемый на орбите сверхлегкий композитный эксперимент (DOLCE), структура размером 1,8 х 1,8 метра (6 х 6 футов), предназначенная для развертывания небольших модульных космических аппаратов, и ALBA, серия из 32 различных типов фотоэлектрических элементов, которые необходимо протестировать. наиболее эффективны в космосе.
Испытания ALBA продолжаются, а DOLCE еще не развернут, и результаты этих экспериментов ожидаются в ближайшие месяцы. Между тем, результаты эксперимента MAPLE очень обнадеживают и демонстрируют возможность реализации ключевых технологий SBSP. Хаджимири сказал:
«Точно так же, как Интернет демократизировал доступ к информации, мы надеемся, что беспроводная передача энергии демократизирует доступ к энергии. Это означает, что мы можем отправлять энергию в отдаленные регионы и районы, опустошенные войной или стихийным бедствием».
SBSP может производить в восемь раз больше энергии, чем солнечные панели, расположенные на поверхности Земли. Когда проект будет полностью реализован, Калифорнийский технологический институт надеется развернуть группировку модульных космических аппаратов, которые будут собирать солнечную энергию, преобразовывать ее в электричество и преобразовывать в микроволны, которые можно будет передавать по беспроводной сети в любую точку мира.
Помимо помощи в переходе на чистую возобновляемую энергию, она также может расширить доступ для недостаточно обслуживаемых сообществ. Президент Калифорнийского технологического института Томас Ф. Розенбаум сказал:
«Переход к возобновляемым источникам энергии, имеющим решающее значение для будущего мира, сегодня ограничивается проблемами хранения и передачи энергии. Излучение солнечной энергии из космоса — элегантное решение. который приблизился на один шаг к реализации благодаря щедрости и дальновидности Бренов. Дональд Брен представил грандиозную техническую задачу, которая обещает замечательную отдачу для человечества: мир, работающий на бесперебойных возобновляемых источниках энергии».
Эта статья была первоначально опубликована Universe Today. Прочтите исходную статью.
