Передача энергии лазером: как это работает

«Беспилотники стали очень популярной темой. Для чего их только не пытаются использовать — они и пиццу развозят, и поле боя разведывают… При этом все вынуждены преодолевать главное препятствие — слишком краткое время полета. Мультикоптеры остаются в воздухе по 10−20 минут, на самых современных аккумуляторах — 25−30. Этого часто не хватает», — говорит инженер из РКК «Энергия» Виталий Капранов.

В самом деле, многим аппаратам требуется оставаться в воздухе часами, ведя мониторинг газопроводов или состояния железных дорог, аэрофотосъемку районов бедствий, охрану территорий, ретрансляцию радиосигнала. Для таких задач можно использовать беспилотники «самолетного типа» с двигателями внутреннего сгорания, но они не слишком маневренны и неспособны зависать в одной точке. Во многих случаях электрические квадрокоптеры удобнее, и их пользователи идут на разные ухищрения, чтобы продлить срок работы: возят дополнительные аккумуляторы или даже запасные дроны, чтобы быстро проводить замену, пока отработавший свое время аппарат остается на подзарядке.

Отдельные модели беспилотников работают «на привязи», получая электроэнергию с земли. Однако провода тяжелые, их сдувает ветром вместе с самим беспилотником, и предел высоты для таких аппаратов редко превышает 200 м, высота 1 км уже недостижима. Предпринимаются попытки питать беспилотники по оптоволокну, отправляя наверх импульсы инфракрасного лазера. Оно вдесятеро легче металлического провода — но, увы, не предназначено для передачи больших мощностей и легко перегревается, что сильно усложняет дело.

Энергетическая «привязь» беспилотников неизбежна — но она может стать совсем невесомой и почти бесконечной, питая аппараты напрямую, чистым лазерным лучом. Такой проект разрабатывают Виталий Капранов, Иван Мацак и группа молодых инженеров из Комитета инновационных проектов (КИПМ) РКК «Энергия». «Наша технология может обеспечить круглосуточную работу беспилотников без необходимости подзарядки», — говорит Иван.

• 
  

  О пользе арсенида
  Свет в фотоэлементах превращается в электричество благодаря фотоэффекту: фотоны высоких энергий «выбивают» из материала электроны — и возникает ток. Разные полупроводники отличаются эффективностью преобразования света и разной чувствительностью к излучению разной длины волны. Как правило, солнечные батареи делают из кремния, он недорог, но в ток он превращает обычно не больше 10% энергии падающего света. Арсенид галлия (GaAs) дороже, но и эффективнее. В инфракрасном диапазоне, на длине волны около 808 нм, его производительность достигает 60%.

В отрыв

Вплоть до недавнего времени передача энергии с помощью лазеров не имела большого смысла: их КПД составлял всего 10−20%. С учетом потерь на передачу и преобразование световой энергии в электричество получателя достигало в лучшем случае нескольких процентов исходной мощности. Только в 2000-х годах ситуация начала меняться: появились инфракрасные лазеры с КПД до 40−50% и высокоэффективные фотоэлектрические модули на основе арсенида галлия, способные преобразовывать в электричество до 40%, а иногда — и до 70% энергии излучения.

Это породило большую моду на создание автономных беспилотников, способных полностью обеспечивать собственные энергетические нужды от бортовых панелей солнечных батарей. Однако Солнце излучает в широком диапазоне волн, и панели приходится делать «универсальными», способными улавливать фотоны разной энергии. Лазерный луч позволяет работать намного ювелирнее: он имеет строго определенную частоту и позволяет заранее подобрать материал фотоэлемента так, чтобы фотоны именно этой длины волны выбивали из него максимальное количество электронов. Это повышает эффективность энергосистемы, снижает ее размеры и вес.

Проект, над которым работают Капранов, Мацак и их коллеги, использует для передачи энергии инфракрасные лазеры с двумя длинами волн — 808 и 1064 нм. 808-нанометровый луч ориентируется на фотоэлементы на базе арсенида галлия с эффективностью преобразования энергии до 40%. Но эта длина волны хороша лишь на малых дистанциях: уже при километровом удалении пучок вырастет в метровое размытое пятно. «С 1064 нм мы теряем 10% эффективности, но зато на километре луч дает пятно лишь в 3 см», — поясняет Капранов.

Зарядная станция с системой наведения может непрерывно снабжать беспилотник энергией, если он не улетает за пределы видимости либо если аппарат летает по определенному маршруту и подзаряжается в какой-то определенной точке своей траектории. При необходимости таким образом можно держать БПЛА в воздухе сутками, во многих случаях получая дешевую альтернативу космическому аппарату.

• 
  

  Эффективность преобразования энергии
  Монохроматическое излучение (809 нм), приемник с концентрирующей оптикой, параллельное соединение фотоэлементов.

С крыши на крышу

Российские инженеры не первые, кто работает над лазерной линией электропередачи. В 2011—2012 годах такую разработку продемонстрировала компания Laser Motive, использовав беспилотник с обычной солнечной батареей, где эффективность преобразования энергии была очень мала. «Они выступили с большим успехом, выиграли конкурс NASA Space Elevator, — замечает Виталий Капранов. — Для нас это сигнал: времени терять нельзя».

К сегодняшнему дню инженеры из комитета инновационных проектов «Энергии» уже разработали систему наведения лазерного луча, которая чутко удерживает беспилотник на прицеле. Она следит за аппаратом, ориентируясь на отражение сигнала слабого «навигационного» лазера от уголкового отражателя на корпусе, с точностью до 0,1°. Дальнейшее наведение обеспечивает миниатюрное зеркало внутри оптической системы «лазерной пушки». Оно позволяет менять направление луча с точностью до тысячных долей градуса, ориентируясь на поток энергии от ячеек фотоприемника, и добиваться максимального уровня полученной энергии.

Эта аппаратура уже испытана в наземных экспериментах — на крышах двух рабочих корпусов «Энергии» в подмосковном Королеве, разделенных расстоянием 1,5 км. «Нам удавалось передавать энергию и в дождь, и во время тумана. Всерьез мешал только кузнечный цех: когда он начинал работать, луч переставал проходить из-за сильного задымления. А в остальное время все работало, мы предлагали коллегам заряжать телефоны», — говорит Капранов.

«Основные помехи для распространения луча в атмосфере — у поверхности: пыль, дым, колебания воздуха от нагретых крыш, — поясняет разработчик. — Кроме того, чаще всего сами ячейки турбулентности ориентированы поперек, а не вдоль поверхности. Поэтому, если бы мы светили вертикально, помех было бы значительно меньше». Инженеры рассчитывают провести первый эксперимент с реальным беспилотником уже в следующем, 2017 году — а еще через два-три года выйти на рынок и просто сдавать в аренду станции лазерной передачи энергии вместе с беспилотниками или без них. Но их планы идут и выше.

• 
  

До орбиты

В космосе лазерная передача энергии будет еще эффективнее, чем по воздуху: здесь почти нечему поглощать и рассеивать излучение. Сейчас многие космические аппараты получают энергию от солнечных батарей, но их массивные «крылья» в космосе создают много проблем. «Размер панелей пропорционален потребностям в мощности, — говорит Иван Мацак. — Нужно много энергии — нужны большие батареи. Масса космического аппарата растет, увеличивается масса топлива, снижается полезная нагрузка».

Кроме того, на некоторые спутники солнечные батареи просто некуда ставить. Размеры современных микроспутников измеряются десятками сантиметров и позволяют разместить в лучшем случае несколько квадратных дециметров солнечных панелей. Конструкторам приходится биться за каждый потребляемый ватт, а уж о том, чтобы поставить на такие аппараты энергоемкую нагрузку (например, электрореактивный двигатель для поддержания орбиты), и речи не идет. Микроспутники обычно живут несколько месяцев, выполняют свою задачу и сгорают в атмосфере. Но лазером их можно было бы подзаряжать прямо с борта МКС, продлевая срок службы.

И эта идея будет опробована уже в ближайшие годы. Разработанный Иваном Мацаком и его коллегами космический эксперимент «Пеликан» позволит испытать новый путь передачи энергии с российского сегмента МКС на борт грузового корабля «Прогресс». На расстоянии 1 км пятно от лазерного луча будет иметь диаметр 30−40 см, попадая на фотоприемник такого же размера. Для того чтобы передавать энергию с Земли, потребуется дополнительная фокусирующая система — по расчетам ученых, в этой роли может выступить и обычный телескоп с зеркалом диаметром около 2 м.

Ученые оценили возможность применения такой системы для энергоснабжения типичного крупного спутника. «Давайте возьмем такой аппарат, как «Ресурс-П», — объясняет Виталий Капранов. — Его солнечные батареи площадью 5 х 5 м можно заменить приемником размерами 1 х 1 м и дополнительно облегчить спутник в полтора раза. То есть мы могли бы сократить требования к мощности выводящей его ракеты или поставить больше приборов».

Но инженеры готовы пойти еще дальше и вывести в космос целую электростанцию — спутник с мощной энергетической установкой на основе ядерного реактора и с лазерным передатчиком энергии. Такой аппарат сможет питать сразу множество спутников — например, флот межорбитальных буксиров, которые будут довыводить на высокие орбиты самые тяжелые телекоммуникационные спутники. Теоретически, подобные электростанции смогут снабжать энергией и исследовательские роверы на других планетах. «Мы прорабатываем и такие проекты», — заверили нас инженеры РКК.

Статья «Луч жизни» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№170, декабрь 2016).