Солнечная энергия впервые передана на Землю из космоса

Прототип космической солнечной батареи, запущенный на орбиту в январе 2023, введен в эксплуатацию и впервые продемонстрировал способность беспроводной передачи энергии в космосе и передачи детектируемой энергии на Землю.

Беспроводная передача энергии была продемонстрирована MAPLE, одной из трех ключевых технологий, тестируемых космическим демонстратором солнечной энергии (SSPD-1), первым космическим прототипом проекта Калифорнийского технологического института по космической солнечной энергетике (SSPP). Целью SSPP является сбор солнечной энергии в космосе и передача ее на поверхность Земли.

MAPLE, сокращение от Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment и один из трех ключевых экспериментов в рамках SSPD-1, состоит из массива гибких легких микроволновых передатчиков энергии, управляемых специальными электронными чипами, которые были созданы с использованием дешевых кремниевых технологий. С помощью массива передатчиков энергия направляется в нужные места. Чтобы SSPP была осуществима, массивы передатчиков энергии должны быть легкими, чтобы минимизировать количество топлива, необходимого для их отправки в космос, и гибкими, чтобы они могли складываться в пакет, который можно перевозить в ракете.

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

“Благодаря проведенным экспериментам мы получили подтверждение того, что MAPLE может успешно передавать энергию на приемники в космосе”, – говорит Хаджимири. “Мы также смогли запрограммировать массив так, чтобы направить его энергию в сторону Земли, что мы и обнаружили здесь, в Калтехе. Мы, конечно, тестировали его на Земле, но теперь мы знаем, что он может выдержать путешествие в космос и работать там”.

Используя конструктивную и деструктивную интерференцию между отдельными передатчиками, массив передатчиков способен изменять фокус и направление излучаемой энергии без каких-либо движущихся частей. Массив излучателей использует точные элементы управления временем для динамической фокусировки энергии на желаемом месте с помощью когерентного сложения электромагнитных волн. Это позволяет передавать большую часть энергии в нужное место и никуда больше.

MAPLE имеет два отдельных приемных массива, расположенных на расстоянии около фута(30 см) от передатчика, которые принимают энергию, преобразуют ее в электричество постоянного тока (DC) и используют его для освещения пары светодиодов, чтобы продемонстрировать полную последовательность беспроводной передачи энергии на расстояние в космосе. MAPLE проверил это в космосе, зажигая каждый светодиод по отдельности и переключаясь между ними взад и вперед. Эксперимент не герметичен, поэтому он подвержен воздействию суровой космической среды, включая большие перепады температур и солнечную радиацию, с которыми однажды столкнутся крупномасштабные установки SSPP.

“Насколько нам известно, никто еще не демонстрировал беспроводную передачу энергии в космосе даже с помощью дорогостоящих жестких конструкций. Мы делаем это с помощью гибких легких конструкций и собственных интегральных схем. Это впервые”, – говорит Хаджимири.

MAPLE также включает в себя небольшое окно, через которое массив может передавать энергию. Эта переданная энергия была обнаружена приемником на крыше Инженерной лаборатории Гордона и Бетти Мур в кампусе Калтеха в Пасадене. Принятый сигнал появился в ожидаемое время и на ожидаемой частоте, и имел правильный сдвиг частоты, как и было предсказано на основе его путешествия с орбиты.

Помимо демонстрации того, что передатчики мощности могут выдержать запуск (который состоялся 3 января 2023) и космический полет и продолжать функционировать, эксперимент обеспечил полезную обратную связь для инженеров SSPP. Антенны для передачи энергии объединены в группы по 16 штук, каждая группа управляется одной гибкой интегральной микросхемой, изготовленной на заказ, и сейчас команда Хаджимири оценивает работу отдельных элементов системы, анализируя интерференционную картину меньших групп и измеряя разницу между различными комбинациями. Этот кропотливый процесс, который может занять до шести месяцев, позволит команде отсортировать нарушения и проследить их до отдельных блоков, обеспечивая понимание для следующего поколения системы.

Космическая солнечная энергетика позволяет использовать практически неограниченный запас солнечной энергии в космическом пространстве, где энергия постоянно доступна, не подвержена циклам дня и ночи, временам года и облачному покрову, что потенциально дает в восемь раз больше энергии, чем солнечные батареи в любом месте на поверхности Земли. Когда проект SSPP будет полностью реализован, будет развернуто созвездие модульных космических аппаратов, которые будут собирать солнечный свет, преобразовывать его в электричество, а затем преобразовывать его в микроволны, которые будут передаваться по беспроводной связи на большие расстояния туда, где это необходимо, включая места, где в настоящее время нет доступа к надежной электроэнергии.

“Гибкие массивы для передачи энергии необходимы для текущего дизайна концепции Caltech о созвездии солнечных батарей, похожих на паруса, которые разворачиваются, когда они достигают орбиты”, – говорит Серджио Пеллегрино, профессор аэрокосмического и гражданского строительства Джойс и Кент Креза и содиректор SSPP.

“Подобно тому, как интернет демократизировал доступ к информации, мы надеемся, что беспроводная передача энергии демократизирует доступ к энергии”, – говорит Хаджимири. “Для получения энергии на земле не потребуется инфраструктура передачи энергии. Это означает, что мы сможем передавать энергию в отдаленные регионы и районы, пострадавшие от войны или стихийных бедствий”.

Проект SSPP получил свое начало в 2011 году после того, как филантроп Дональд Брен, председатель совета директоров Irvine Company и пожизненный член попечительского совета Калтеха, впервые узнал о потенциале космического производства солнечной энергии, будучи молодым человеком, из статьи в журнале Popular Science. Заинтригованный потенциалом космической солнечной энергетики, в 2011 году Брен обратился к тогдашнему президенту Калтеха Жану-Лу Шамо, чтобы обсудить создание исследовательского проекта по космической солнечной энергетике. В последующие годы Брен и его жена Бриджит Брен, также являющаяся попечителем Калтеха, согласились сделать пожертвование для финансирования проекта. Первое из пожертвований Калтеху (которое в конечном итоге превысит 100 миллионов долларов на поддержку проекта и эндаумент-профессоров) было сделано через Фонд Дональда Брена.

“Упорный труд и преданность блестящих ученых Калтеха способствовали осуществлению нашей мечты – обеспечить мир обильной, надежной и доступной энергией на благо всего человечества”, – говорит Брен.

“Переход на возобновляемые источники энергии, критически важные для будущего мира, сегодня ограничен проблемами хранения и передачи энергии. Передача солнечной энергии из космоса – это элегантное решение, которое стало еще на один шаг ближе к реализации благодаря щедрости и дальновидности Бренов”, – говорит президент Калтеха Томас Ф. Розенбаум. “Дональд Брен представил грозную техническую задачу, которая обещает человечеству замечательную отдачу: мир, питающийся бесперебойной возобновляемой энергией”.

В дополнение к поддержке, полученной от семьи Брен, корпорация Northrop Grumman также предоставила Калтеху 12,5 миллионов долларов в течение трех лет в рамках соглашения о спонсируемых исследованиях в период с 2014 по 2017 год, что способствовало развитию технологий и продвижению науки в рамках проекта.

“Демонстрация беспроводной передачи энергии в космосе с использованием легких конструкций является важным шагом на пути к космической солнечной энергии и широкому доступу к ней во всем мире”, – говорит Гарри Этуотер, заведующий кафедрой Отиса Бута Отделения инженерных и прикладных наук, профессор прикладной физики и материаловедения имени Говарда Хьюза, директор Liquid Sunlight Alliance и один из главных исследователей проекта. “Солнечные панели уже используются в космосе, например, для питания Международной космической станции, но чтобы запустить и развернуть достаточно большие массивы для обеспечения энергией Земли, SSPP должен разработать и создать системы передачи солнечной энергии, которые будут сверхлегкими, дешевыми и гибкими”.

Отдельные блоки SSPP будут складываться в упаковки объемом около 1 кубического метра, а затем разворачиваться в плоские квадраты со стороной около 50 метров, с солнечными батареями на одной стороне, обращенной к Солнцу, и беспроводными передатчиками энергии на другой стороне, обращенной к Земле.

Космический аппарат Momentus Vigoride, запущенный на борту ракеты SpaceX в рамках миссии Transporter-6, доставил в космос 50-килограммовый SSPD. Компания Momentus оказывает постоянную поддержку Калтеху в создании размещаемой полезной нагрузки, включая обеспечение.

Источник: Сaltech