15.04.2024. - Новая идея для космических солнечных батарей

Новая идея для космических солнечных батарей

Идея снабжения цивилизации энергией от гигантских солнечных электростанций на орбите старше любой космической программы, но, несмотря на семь десятилетий развития ракетостроения, концепция — собирать почти постоянный солнечный свет на высоте десятков тысяч километров над экватором, передавать его на Землю в виде микроволн и преобразовывать в электричество — все еще остается заманчивой за горизонтом. Несколько недавно опубликованных глубоководных исследований, проведенных по заказу НАСА и Европейского космического агентства, опровергли надежду на то, что космическая солнечная энергетика сможет по доступной цене генерировать много гигаватт чистой энергии в ближайшем будущем. И все же мечта продолжает жить. В январе 2023 года она достигла своего рода взлета. Именно тогда SSPD-1, демонстрационный спутник солнечной космической энергетики, оснащенный набором новых технологий, разработанных в Калифорнийском технологическом институте, был выведен на низкую околоземную орбиту для выполнения годичной миссии. Учитывая опасения по поводу технической осуществимости роботизированной сборки спутников в космосе, каждый из которых на порядок больше Международной космической станции, команда Калифорнийского технологического института изучает самые разные подходы к использованию солнечной энергии в космосе.

Чтобы узнать, чего достигла миссия SSPD-1 и как она повлияет на будущие концепции космических спутников, работающих на солнечной энергии, IEEE Spectrum поговорила с Али Хаджимири, научным сотрудником IEEE, профессором электротехники в Калифорнийском технологическом институте и содиректором школьного проекта по использованию солнечной энергии в космосе. Интервью было сокращено и отредактировано для придания ему объема и ясности. SSPD-1 летал на нескольких разных испытательных стендах. Давайте начнем с низкоорбитального эксперимента MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment), испытательного стенда для беспроводной передачи энергии: Когда вы и ваша команда поднялись на крышу вашего здания в кампусе в мае 2023 года и направили свои антенны туда, где пролетал спутник, принимало ли ваше оборудование реальные сигналы отключение питания или просто диагностический сигнал?

Али Хаджимири: Я бы назвал это обнаружением. Основной целью эксперимента MAPLE была демонстрация беспроводной передачи энергии в космосе с использованием гибких, легких конструкций, а также стандартных интегральных схем CMOS. С одной стороны расположены антенны, передающие энергию, а с другой - изготовленные на заказ КМОП-чипы, которые являются частью электроники для передачи энергии. Смысл этих устройств в том, чтобы быть очень легкими, снижать стоимость запуска в космос и быть очень гибкими при хранении и развертывании, потому что мы хотим оборачивать и разворачивать их, как парус.

Я вижу — их заворачивают, чтобы они поместились внутри ракеты, а затем разворачивают и растягивают, как только они выводятся на орбиту.

Хаджимири: Основной целью MAPLE было продемонстрировать, что эти хрупкие на вид матрицы и КМОП-интегральные схемы могут работать в космосе. И не только это, но и то, что они могут направлять беспроводную передачу энергии к разным целям в космосе, к разным приемникам. Под передачей энергии я подразумеваю чистую мощность на стороне приемника. Мы продемонстрировали передачу энергии в космосе и провели множество измерений. Сейчас мы уточняем детали и опубликуем эти результаты.

Вторая часть этого эксперимента — действительно сложная задача — состояла в том, чтобы продемонстрировать эту способность направлять луч в нужное место на Земле и посмотреть, достигнем ли мы ожидаемого уровня мощности. Итак, чем больше передающая матрица в пространстве, тем больше возможность фокусировать энергию на меньшем участке поверхности.

Правильно, потому что дифракция луча ограничивает размер пятна в зависимости от размера передатчика и частоты микроволн.

Хадзимири: Да. Матрица, которую мы использовали в space для MAPLE, была очень маленькой. В результате передатчик распределял мощность на очень большую площадь. Таким образом, мы зафиксировали очень малую долю энергии — вот почему я называю это обнаружением; это не была чистая положительная мощность. Но мы ее измерили. Мы хотели посмотреть: получаем ли мы то, что предсказываем, исходя из наших расчетов? И мы обнаружили, что он находится в нужном диапазоне уровней мощности, который мы ожидали от подобного эксперимента.

Таким образом, он сравним по мощности с сигналами, которые передаются при работе стандартных спутников связи.

Хадзимири: Но это сделано с использованием гибкой и легкой системы, что делает ее еще лучше. Вы можете представить, как с их помощью разрабатываются спутники связи следующего поколения или космические датчики, которые значительно удешевляют, облегчают и упрощают развертывание. Спутники, используемые в настоящее время для Starlink и Kuiper, отлично работают, но они громоздкие и тяжелые. С помощью этой технологии следующего поколения вы могли бы задействовать сотни таких спутников при очень небольшом и гораздо более дешевом запуске. Это могло бы привести к гораздо более эффективному Интернету в небе.

Расскажите мне об эксперименте ALBA, в ходе которого были протестированы 32 различных новых типа фотоэлектрических солнечных элементов, чтобы увидеть, как они работают в космосе. Каковы были основные выводы?

Хадзимири: Мой коллега из Калифорнийского технологического института Гарри Этуотер руководил этим экспериментом. То, что лучше всего работает на Земле, не обязательно лучше всего работает в космосе. В космосе много радиационных повреждений, и они смогли измерить скорость деградации в течение нескольких месяцев. С другой стороны, в космосе нет водяного пара, нет окисления воздухом, что хорошо для таких материалов, как перовскиты, у которых с этим проблемы. Поэтому Гарри и его команда ищут компромиссы и разрабатывают множество новых элементов, которые намного дешевле и легче: элементы, изготовленные из тонких пленок перовскитов или полупроводников, таких как арсенид галлия, элементы, в которых используются квантовые точки, волноводы или другая оптика для концентрации света. Многие из этих элементов обладают большими перспективами. В частности, очень тонкие слои арсенида галлия, по-видимому, позволяют создавать легкие, но при этом очень высокопроизводительные и значительно более дешевые элементы, поскольку для их изготовления требуется очень мало полупроводниковых материалов.

Многие концепции проектирования спутников, работающих на солнечной энергии, включая ту, которую ваша группа опубликовала в препринте 2022 года, включают концентраторы для уменьшения необходимой площади и массы фотоэлектрических установок.

Хадзимири: Проблема с этим дизайном заключается в довольно узком угле обзора: все должно быть выровнено так, чтобы сфокусированный солнечный свет попадал на камеру должным образом. Это одна из причин, по которой мы отказались от такого подхода и перешли к плоскому дизайну.

Есть и другие существенные отличия между дизайном спутника Caltech power satellite и другими существующими концепциями. Например, в других проектах, которые я видел, использовались микроволновые печи в диапазоне Wi-Fi от 2 до 6 Гигагерц, поскольку для этих частот доступны дешевые компоненты. Но ваш компьютер работает на частоте 10 ГГц?

Хадзимири: Именно так — и это большое преимущество, потому что, когда вы удваиваете частоту, размеры систем в космосе и на земле уменьшаются в четыре раза. Мы можем это сделать в основном потому, что создаем собственные микросхемы и обладаем широкими возможностями в области проектирования микросхем миллиметрового диапазона. Мы уже продемонстрировали некоторые из этих гибких панелей, работающих на частоте 28 ГГц.

И ваша разработка позволяет избежать необходимости в роботах для сборки основных компонентов в космосе?

Хадзимири: Наша идея состоит в том, чтобы создать флот из этих похожих на паруса конструкций, которые затем будут летать плотным строем. Они не прикреплены друг к другу. Это значительно сокращает расходы. У каждого из них есть небольшие двигатели по краям, и они содержат внутренние датчики, которые позволяют ему измерять свою форму во время полета, а затем соответствующим образом корректировать фазу своего движения. Каждый из них также отслеживает свое собственное положение относительно соседей и угол наклона к Солнцу.

С вашей точки зрения, как инженера-электрика, какие действительно сложные проблемы еще предстоит решить?

Хадзимири: Синхронизация времени между всеми частями массива передатчиков невероятно важна и является одной из самых интересных задач на будущее.

Поскольку передатчик представляет собой фазированную антенную решетку, каждая из миллионов маленьких антенн в этой решетке должна точно синхронизироваться с фазой соседних антенн, чтобы направить луч на наземную приемную станцию.

Хадзимири: Верно. Чтобы дать вам представление об уровне точности синхронизации, который нам нужен в такой матрице, мы должны уменьшить фазовый шум и временное дрожание всего до нескольких пикосекунд на всем передатчике шириной в километр. В лаборатории мы делаем это с помощью проводов определенной длины или оптических волокон, которые подключаются к КМОП-чипам со встроенными в них фотодиодами. У нас есть некоторые идеи о том, как сделать это беспроводным способом, но мы не питаем иллюзий: это долгий путь.

Какие еще серьезные проблемы стоят перед вами?

Хадзимири: Огромные масштабы системы и новая производственная инфраструктура, необходимая для ее создания, сильно отличаются от всего, что когда-либо создавалось человечеством. Если бы мне нужно было ранжировать проблемы, я бы поставил на первое место желание, ресурсы и совместную работу над проектом такого масштаба.

Источник