A lézer energiatranszfer hogyan működik
A „halálos sugarak” Megszoktuk, hogy a gyermekkorból, hosszú eljövetele előtt lézerek, még a „War of the Worlds” és „hiperboloidon mérnök Garin”. A hadsereg arra törekszik, hogy a harci lézert üzembe helyezze, hogy elpusztítsa az ellenség rakétáit, trónját és társait. De nem hordozhatják el a halált, hanem egy kis életet - energiát.
"Az UAV-ok nagyon népszerű témává váltak. Azért, amit csak nem próbálnak használni - ők és a pizzákat szállítják, és a csatatéren megbeszélik ... Ugyanakkor mindenkinek meg kell küzdenie a fő akadályt - túl rövid repülési idő. A többcélú gépek 10-20 percig maradnak a levegőben, a legmodernebb elemeken - 25-30. Ez gyakran nem elég "- mondja egy mérnök az RSC Energia Vitaly Kapranov.
Tény, hogy sok eszköz kell, hogy maradjon a levegőben órákig, ami a megfigyelési csővezetékek vagy állami vasutak, légi katasztrófa sújtotta területek, védett területek, átmosás rádió. Ilyen feladatoknál a "légijármű-típus" típusú búvármotort használhatjuk belső égésű motorokkal, de ezek nem túl manőverezhetők és egy ponton képtelenek lógni. Sok esetben az elektromos quadrocopter kényelmes, és azok a felhasználók különböző műszakban, hogy meghosszabbítja az élettartamot: készítsen extra elemek vagy csere herék elvégzésére csere gyorsan, mint a kipufogó, ha a készülék töltődik.
A drónok egyéni modelljei "pórázon" működnek, és áramot kapnak a földről. Azonban vezetékek nehéz, a szél őket drone maga, és a magassági korlátot az ilyen eszközök esetében ritkán haladja meg a 200 m, a magassága 1 km már elérhetetlen. Kísérleteket tesznek arra, hogy a drótokat az optikai szálon keresztül táplálják, és infravörös lézerimpulzusokat helyeznek a tetejére. Tízszer könnyebb, mint egy fémhuzal - de sajnos nem nagy kapacitású és könnyen túlmelegedésre tervezték, ami nagymértékben bonyolítja a dolgokat.
A drónok teljesítménye "tether" elkerülhetetlen - de ez teljesen súlytalan és szinte végtelen lehet, közvetlenül a készüléket tiszta lézersugárral táplálja. Ezt a projektet Vitaliy Kapranov, Ivan Matsak és az RSC Energia Innovatív Projektek Bizottsága (KIPM) fiatal mérnökei fejlesztik. "Technológiánk a drótok óránkénti működését biztosítja anélkül, hogy újratöltenének" - mondja Ivan.
Az arzén előnyeiről
A fotocellák fénye a fotoelektromos hatás miatt villamos energiává válik: a nagy energiájú fotonok "kiüti" az elektronokat az anyagból - és áram keletkezik. A különböző félvezetőket a fényátalakítás hatékonysága és a különböző hullámhosszú sugárzás érzékenysége jellemzi. Rendszerint a napelemek szilíciumból készülnek, olcsóak, de általában az áramló fény energiájához képest legfeljebb 10% -át alakítják át. A gallium-arzén (GaAs) drágább, de hatékonyabb is. Az infravörös tartományban, körülbelül 808 nm hullámhosszon, teljesítménye eléri a 60% -ot.
Ez nagyszerű divatot eredményezett autonóm pilóta nélküli légi járművek létrehozása érdekében, amelyek képesek teljes mértékben ellátni saját energiaigényüket a fedélzeti napelemekről. A Nap azonban széles hullámhosszon bocsát ki, és a panelet "univerzálisnak" kell tekinteni, amely képes különböző energiák fotonjainak megragadására. A lézersugár segítségével sokkal ékszerek: van egy jól meghatározott frekvenciájú és lehetővé teszi, hogy előre fénysorompó vegye fel az anyagot, úgyhogy fotonok hullámhosszának ledőlt azt a maximális mennyiségű elektront. Ez növeli az energia rendszer hatékonyságát, csökkenti méretét és súlyát.
A projekt, amelyen Kapranov, Matsak és munkatársai dolgoznak, két hullámhosszú infravörös lézert használ - 808 és 1064 nm - energiát továbbít. A 808 nanométeres gerendát gallium-arzén alapú fotocellák vezérlik, 40% -os energia-konverziós hatékonysággal. De ez a hullámhossz jó csak kis távolságokon: csak egy kilométeres távolságban a sugár mérgezővé válik. "1064 nm-nél 10% -os hatékonyságot veszítünk el, de egy kilométeren a gerenda csak 3 cm-es pontot ad" - magyarázta Kapranov.
A célzórendszerrel rendelkező töltőállomás folyamatosan energiaellátást adhat egy dróna számára, ha nem távozik a látóteréből, vagy ha a készülék egy bizonyos útvonalon repül, és feltölti a pályája bizonyos pontján. Szükség esetén így napközben az UAV-ot a levegőben tarthatja, sok esetben olcsó alternatívát kap az űrhajóhoz.
Az energiaátalakítás hatékonysága
Monokromatikus sugárzás (809 nm), koncentráló optikával ellátott vevő, fotocellák párhuzamos csatlakoztatása.
A tetőtől a tetőig
A mai napig az Energy Projects Innovation Committee mérnökei már kifejlesztettek egy lézersugaras irányító rendszert, amely érzékenyen szemmel tartja a drótot. Figyelemmel kíséri a készüléket, egy gyenge "navigációs" lézer jelének visszaverődésére összpontosítva a testen lévő sarok-reflektorról 0,1 ° pontossággal. További útmutatás a "lézerpisztoly" optikai rendszerének miniatűr tükörét biztosítja. Ez lehetővé teszi, hogy a sugárirányt egy ezred fokon változtassa meg, a fotodetektor sejtjeiből származó energiaáramlásra összpontosítva, és a kapott maximális energia szint elérése érdekében.
Az űrben a lézersugaras energiaátadás még hatékonyabb lesz, mint a levegőben: szinte semmi sem képes felszívni és szétszórni a sugárzást. Most sok űrjármű kap energiát a napelemektől, de a hatalmas "szárnyuk" a térben sok problémát okoz. "A panelek mérete arányos a teljesítményigényekkel" - mondja Ivan Matsak. - Sok energiára van szükséged - nagy akkumulátorokra van szükséged. Az űrhajó tömege növekszik, az üzemanyag tömege növekszik, és a hasznos teher csökken. "
Ráadásul egyes műholdak esetében a napelemek egyszerűen nincsenek elhelyezve. A modern mikroszatellitek méreteit tíz centiméterben méri, és lehetővé teszi a legjobb négyszögméretű napelemek elhelyezését. A tervezőknek minden felhasznált wattért küzdeniük kell, és akár olyan eszközöket is fel kell használniuk, amelyek energiaigényes terhelést tesznek lehetővé (például egy elektromos meghajtású motort a pályára állításhoz), és nincs semmi kérdése. A mikroszatellitek általában több hónapig élnek, feladataikat és a légkörben égnek. De a lézer közvetlenül az ISS-ből tölthető fel, meghosszabbítva az élettartamot.
És ezt az elképzelést az elkövetkező években tesztelik majd. Ivan Matsak és munkatársai által kidolgozott térinformatikai kísérlet "Pelikan" új módszert fog tesztelni az ISS oroszországi szegmenséről a "Progress" rakomány űrhajóra történő átvitelére. 1 km távolságban a lézersugár helyzete átmérője 30-40 cm, egyforma méretű fotodetektorral. Annak érdekében, hogy energiát szállítsanak a Földről, egy további fókuszáló rendszerre lesz szükség - a tudósok számításai szerint ebben a szerepben egy normál teleszkóp és egy körülbelül 2 m átmérőjű tükör játszható le.
A tudósok becsülték annak lehetőségét, hogy ilyen rendszert használjanak egy tipikus nagy műhold tápellátására. "Vegyünk egy olyan készüléket, mint a Resource-P" - magyarázza Vitaly Kapranov. - Az 5 × 5 m-es területű napelemek egy 1 × 1 méteres vevővel helyettesíthetők, és ezenkívül megkönnyítik a műhold 1,5-es tényezővel való ellátását. Vagyis csökkenthetjük a rakéta erejére vonatkozó követelményeket, amelyek kiaknázhatják, vagy több eszközt helyezhetnek el. "
De a mérnökök készen állnak arra, hogy még tovább haladjanak, és egy teljes erőművet szállítsanak a térbe - egy nukleáris reaktorral és lézerenergiával működő erőművel rendelkező műhold. Ez a gép képes eltartani több műhold egyszerre - például a flotta interorbital vontató, amely a magas dovyvodit pályára a legnehezebb távközlési műhold. Elméletileg az ilyen erőművek képesek lesznek energiát és kutatási rovereket szállítani más bolygókon. "Mi is dolgozunk ilyen projekteken," biztosította RKK mérnökök.