Беспроводная передача энергии в космическом пространстве представляет собой одну из наиболее перспективных и увлекательных областей современных космических исследований. Эта технология способна кардинально изменить подходы к освоению и использованию космоса, открывая новые возможности. В целом, её применение можно разделить на два ключевых направления: передача электроэнергии между космическими аппаратами и передача энергии с орбитальных платформ на наземные приёмные станции.
Знаковым событием в этой области стал успех эксперимента MAPLE, о котором объявил Калифорнийский технологический институт (Caltech). Эксперимент, размещённый на борту небольшого спутника-демонстратора SSPD-1, впервые в истории продемонстрировал оба сценария. В рамках испытаний электрическая энергия была успешно передана на расстояние около 30 сантиметров в условиях космического вакуума и использована для питания светодиодов. Более того, устройство также передало микроволновый сигнал на Землю, который был зафиксирован приёмником на крыше здания Caltech. Хотя мощность сигнала оказалась недостаточной для обратного преобразования в полезную электроэнергию, сам факт успешной передачи является прорывом.
Как работает передача энергии в космосе?
Чтобы понять суть технологии, нужно рассмотреть базовые принципы. Процесс начинается со сбора энергии, например, с помощью солнечных панелей. Затем специальный передатчик преобразует электрическую энергию в электромагнитные волны — в случае MAPLE это микроволны. Эти волны переносят энергию через пространство. Приёмник, оказавшись в зоне действия волн, улавливает их и преобразует обратно в электрический ток. На фундаментальном уровне этот процесс для приёмника схож с работой солнечной панели, преобразующей свет солнца в электричество.
На изображении красная стрелка указывает на область конструктивной интерференции, где волны от двух источников усиливают друг друга. Синяя стрелка показывает зону деструктивной интерференции, где волны гасятся.
Однако ключевым отличием и основой технологии является использование явления интерференции волн. Когда электромагнитные волны от нескольких передающих элементов встречаются в пространстве, они могут как складываться, усиливая друг друга, так и взаимно уничтожаться. Путем точной настройки и управления фазами волн от множества небольших источников (антенн) можно сформировать узконаправленный луч, в котором будет сконцентрирована практически вся передаваемая энергия. При этом направление этого луча можно изменять электронным способом, без необходимости механического поворота антенн.
Миссия SSPD-1 и её эксперименты
Эксперимент MAPLE является частью более масштабной программы Space Solar Power Project (SSPP) под руководством профессоров Caltech Али Хаджимири и Серджио Пеллегрино. Демонстрационный спутник SSPD-1, запущенный 3 января на ракете SpaceX, несёт на борту три независимых эксперимента:
- Alba: Представляет собой испытательный стенд из 32 различных типов солнечных элементов, включая перовскитные, кремниевые и элементы на основе соединений III-V групп. Цель — сравнить их эффективность и долговечность в реальных космических условиях.
- DOLCE: Демонстратор новых лёгких и компактных развёртываемых конструкций, которые в будущем могут служить основой для огромных орбитальных солнечных панелей. Эксперимент включает камеры для фиксации процесса раскрытия.
- MAPLE: Эксперимент по беспроводной передаче энергии, о котором идёт речь в статье.
Обратите внимание: NASA инвестирует в футуристический телескоп, который будет строить сам себя в космосе.
Устройство эксперимента MAPLE
Экспериментальный модуль MAPLE имеет размер спутника формата 6U и массу около 2,6 кг. На одной из его внутренних стенок расположен массив из 32 передающих антенн, работающих на частоте 9,884 ГГц. На противоположной стенке, на расстоянии примерно 30 см, находится приёмная антенна. Часть излучения направляется через специальное сапфировое окно для экспериментов по приёму сигнала на Земле. Всё происходящее внутри модуля фиксируют встроенные камеры.
Схематическое изображение экспериментальной установки MAPLE.
Значение и перспективы
Эксперимент признан полностью успешным: энергия была передана по беспроводному каналу и использована для зажигания светодиодов внутри модуля. Хотя расстояние передачи было небольшим, это первая в мире демонстрация подобной технологии именно в космосе, в условиях микрогравитации и вакуума.
Внутренний вид камеры MAPLE во время проведения эксперимента.
Успех MAPLE — это первый, но крайне важный шаг амбициозной программы SSPP. Её конечная цель — создание на орбите группировки спутников, оснащённых огромными солнечными панелями, которые будут собирать солнечную энергию, преобразовывать её в микроволновое излучение и передавать на Землю или другим космическим аппаратам. Это могло бы обеспечить человечество практически неиссякаемым источником чистой энергии.
Программа SSPP стартовала в 2011 году благодаря частному финансированию в размере 100 миллионов долларов от предпринимателя и члена совета директоров Caltech Дональда Брена. Дополнительные 12,5 миллионов долларов были предоставлены корпорацией Northrop Grumman, что подчёркивает серьёзный промышленный интерес к этой технологии.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.