|
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
|
