Ray of Life: Lasertransmission

Ray of Life: Lasertransmission

Ilya Ferapontov
"Popular Mechanics" №12, 2016

Fra barndommen, længe før fremkomsten af ​​lasere, fra World of War og Hyperboloid of Engineer Garin, blev vi vant til "stråle af død". Militæret drømmer om at sætte kamplasere i brug for at ødelægge fjendtlige missiler, droner og satellitter. Men de kan ikke bære døden, men lidt mere liv – energi.

"UAV er blevet et meget populært emne. For det de ikke kun forsøger at bruge – de leverer pizza og spejder på slagmarken … Samtidig er alle tvunget til at overvinde den største hindring – for kort flyvetid. Multikoptere forbliver i luften i 10-20 minutter, moderne batterier – 25-30. Dette er ofte ikke nok, "- sagde ingeniør fra RSC Energia Vitaly Kapranov.

Faktisk behøver mange apparater at holde sig i luften i flere timer, overvåge gasledninger eller jernbanestatus, luftfotografering af katastrofeområder, beskyttelse af territorier og radiosignaltransmission. Til sådanne opgaver kan du bruge droner "flytype" med forbrændingsmotorer, men de er ikke for manøvrerbare og kan ikke hænge på et tidspunkt. I mange tilfælde er elektriske quadcopters mere bekvemme, og deres brugere bruger forskellige tricks,at forlænge arbejdets levetid: Bær ekstra batterier eller endda ekstra droner for hurtigt at udføre udskiftningen, mens den enhed, der har brugt sin tid, forbliver på opladning.

Separate modeller af UAV'er arbejder "i snor", der modtager elektricitet fra jorden. Wirerne er dog tunge, de blæser væk af vinden sammen med drone selv, og højdegrænsen for sådanne anordninger går sjældent over 200 m, højden på 1 km er allerede uopnåelig. Forsøg gøres for at fodre droner over fiber og sende pulser fra en infrarød laser til toppen. Det er ti gange lettere end metaltråd – men desværre er det ikke beregnet til transmission af høj effekt og let overophedning, hvilket i høj grad komplicerer sagen.

Energi "bånd" af dronerne er uundgåeligt – men det kan blive helt vægtløst og næsten uendeligt, fodrer apparaterne direkte med en ren laserstråle. Et sådant projekt bliver udviklet af Vitaly Kapranov, Ivan Matsak og en gruppe unge ingeniører fra RSC Energias Udvalg for Innovationsprojekter (KIPM). "Vores teknologi kan tilbyde droner døgnet rundt uden behov for genopladning," siger Ivan.

I spidsen

Indtil for nylig gav overførsel af energi ved hjælp af lasere ikke stor mening: deres effektivitet var kun 10-20%. I lyset af tabet i transmission og omdannelse af lysenergi til elektricitet nåede modtageren i bedste fald flere procent af den oprindelige effekt. Først i 2000'erne begyndte situationen at ændre sig: infrarøde lasere med en effektivitet på op til 40-50% og meget effektive fotovoltaiske moduler baseret på galliumarsenid syntes at kunne omdanne op til 40% til elektricitet og til tider op til 70% af strålingsenergien.

Om fordelene ved arsenid

Lys i fotoceller omdannes til elektricitet på grund af den fotoelektriske effekt: Høj-energi fotoner "banke" elektroner ud af materialet – og en strøm opstår. Forskellige halvledere kendetegnes af deres lysomdannelseseffektivitet og forskellige følsomhed over for stråling med forskellige bølgelængder. Solceller er som regel lavet af silicium, det er billigt, men det er normalt ikke mere end 10% af den indfaldende lysenergi i strømmen. Galliumarsenid (GaAs) er dyrere, men også mere effektivt. I infrarøddet når bølgelængden på ca. 808 nm 60%.

Dette gav anledning til en stor mode for oprettelsen af ​​autonome droner, der fuldt ud kunne opfylde deres egne energibehov fra indbyggede solpaneler.Solen udstråler imidlertid i en bred vifte af bølger, og panelerne skal laves "universelle", der er i stand til at fange fotoner af forskellige energier. Laserstrålen giver dig mulighed for at arbejde meget mere guldsmed: det har en strengt defineret frekvens og giver dig mulighed for at forudbestille fotocellmaterialet, så fotonerne af denne bestemte bølgelængde slår det maksimale antal elektroner ud af det. Dette øger effektiviteten af ​​elsystemet, reducerer størrelse og vægt.

Projektet, som Kapranov, Matsak og deres kolleger arbejder på, anvender infrarøde lasere med to bølgelængder, 808 og 1064 nm, til energioverførsel. 808-nanometerstrålen fokuserer på fotovoltaiske celler baseret på galliumarsenid med en energiomdannelseseffektivitet på op til 40%. Men denne bølgelængde er kun god på korte afstande: med en kilometer afstand vil strålen vokse til et meter uskarpt sted. "Med 1064 nm mister vi 10% af effektiviteten, men på en kilometer giver strålen en plads på kun 3 cm," forklarer Kapranov.

Energikonvertering effektivitet. Monokromatisk stråling (809 nm), modtager med koncentrerende optik, parallelforbindelse af fotoceller

En ladestation med et styresystem kan kontinuerligt forsyne drone med energi,hvis den ikke flyver ude af syne, eller hvis enheden flyver langs en bestemt rute og genoplades på et bestemt punkt i sin vej. Om nødvendigt kan du på denne måde holde UAV i luften i dage, i mange tilfælde få et billigt alternativ til rumfartøjet.

Fra tag til tag

Russiske ingeniører er ikke de første til at arbejde på en laserkraftledning. I 2011-2012 blev en sådan udvikling demonstreret af virksomheden. Laser motivved hjælp af en drone med en konventionel solcelle, hvor energieffektiviseringseffektiviteten var meget lav. "De udførte med stor succes, vandt NASA-konkurrencen Space elevator– Vitaly Kapranov noter. "For os er dette et signal: der er ingen tid at tabe."

Til dato har ingeniører fra Energy Projects Innovation Projects Committee allerede udviklet et laser beam targeting system, hvilket er følsomt for at holde UAV på syne. Det overvåger enheden, der fokuserer på refleksionen af ​​signalet fra en svag "navigation" laser fra hjørnens reflektor på kroppen med en nøjagtighed på 0,1 °. Yderligere vejledning giver et miniature spejl inde i det optiske system af "laser pistol".Det giver dig mulighed for at ændre strålens retning til nærmeste tusindedele af en grad, der fokuserer på strømmen af ​​energi fra fotodetektorens celler og for at opnå det maksimale niveau af energi, der modtages.

Dette udstyr er allerede blevet testet i jordforsøg – på taget af de to arbejdsbygninger i Energia i Korolev nær Moskva, adskilt med en afstand på 1,5 km. "Vi formåede at overføre energi både i regn og i tåge. Kun smedeforretningen alvorligt forstyrrede: Når det begyndte at arbejde, standsede strålen forbi på grund af kraftig røg. Kapranov.

"De største hindringer for udbredelsen af ​​en stråle i atmosfæren er nær overfladen: støv, røg og luftvibrationer fra opvarmede tage," forklarer bygherren. "Støj ville være betydeligt mindre." Ingeniører forventer at gennemføre det første eksperiment med en rigtig drone næste år, i 2017, og efter to eller tre år at komme ind på markedet og blot lease stationen af ​​lasertransmission med eller uden droner. Men deres planer går højere.

Før omløb

I rummet vil laser energioverførsel være endnu mere effektiv end gennem luften: der er næsten intet at absorbere og sprede stråling. I dag modtager mange rumfartøjer energi fra solceller, men deres massive vinger i rummet skaber mange problemer. "Pladernes størrelse er proportional med behovet for magt," siger Ivan Matsak. "Der kræves meget energi – der kræves store batterier. Rumfartøjets masse øges, brændstofmassen øges, nyttelastet falder."

Desuden har solsatellitterne simpelthen ingen steder at installere på nogle satellitter. Dimensionerne af moderne mikrosatellitter måles i tituscentimeter og giver i bedste fald mulighed for at placere flere firkantede decimeter af solpaneler. Designere skal kæmpe for hver watt forbruges, og det er ikke et spørgsmål om at lægge en energiintensiv belastning på sådanne enheder (for eksempel en elektrisk jetmotor til at opretholde en bane). Mikrosatellitter lever normalt i flere måneder, udfører deres opgave og brænder i atmosfæren. Men laseren kunne genoplades direkte fra ISS og forlænge levetiden.

Og denne ide bliver testet i de kommende år.Rumseksperimentet "Pelikan", der er udviklet af Ivan Matsak og hans kolleger, vil give mulighed for at teste en ny måde at overføre energi fra det russiske segment af ISS til styret i Progress-lastskibet. På en afstand af 1 km vil stedet fra laserstrålen have en diameter på 30-40 cm, der falder på en fotodetektor af samme størrelse. For at overføre energi fra Jorden kræves der et yderligere fokuseringssystem – ifølge forskere kan et almindeligt teleskop med et spejl omkring 2 m i diameter spille denne rolle.

Forskere har vurderet muligheden for at bruge et sådant system til at drive en typisk stor satellit. "Lad os tage en enhed som Resurs-P", forklarer Vitaly Kapranov. "Dens 5 × 5 m solpaneler kan erstattes med en 1 × 1 m modtager og yderligere lette satellitten med en faktor på 1,5. Det vil sige, vi kunne reducere kravene til rakets udgangseffekt eller sætte flere instrumenter. "

Men ingeniører er klar til at gå endnu længere og bringe i rummet et helt kraftværk – en satellit med et kraftigt kraftværk baseret på en atomreaktor og med en laser energi sender. En sådan anordning vil være i stand til at drive mange satellitter på én gang – for eksempel en flåde af interorbital slæbebåde,som vil bringe de tungeste telekommunikationssatellitter til store baner. Teoretisk set vil sådanne kraftværker være i stand til at levere energi og forskere på andre planeter. "Vi arbejder også på sådanne projekter," forsikrede RKK ingeniører os.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: