|
Самолёты можно питать прямо в полёте
|
|
|
|
Представьте, что сейчас 2050 год и вы летите через всю страну на авиалайнере нового типа, на борту которого нет топлива. Самолет взлетает, и вы поднимаетесь над аэропортом. Однако вместо того, чтобы набирать крейсерскую высоту, ваш самолет выравнивается, и двигатели стихают до низкого гула. Это нормально? Никто, похоже, не знает. Взволнованные пассажиры вытягивают шеи, чтобы лучше видеть из окон. Все они ищут чего-то одного. Затем на горизонте появляется массивная антенная решетка. Она испускает мощный луч электромагнитного излучения, направленный в нижнюю часть самолета. Впитав эту энергию, двигатели включаются, и самолет продолжает набор высоты. За несколько минут луч передаст вам достаточно энергии, чтобы добраться до следующей наземной антенны, расположенной в паре сотен километров впереди.
|
|
|
|
Человек рядом с вами шумно выдыхает. Вы откидываетесь на спинку стула и ждете, когда вам принесут напиток. Старомодная тревога из-за дальности действия электромобилей - ничто по сравнению с этим. Я признаю, что использование энергии в авиации - это возмутительная идея. Если физика этого не запрещает, то федеральные регулирующие органы или нервные пассажиры, вероятно, это сделают. Но по сравнению с другими предложениями по обезуглероживанию авиации, настолько ли это безумно? Аккумуляторы, водород, альтернативные виды топлива на основе углерода - ничто из разработанного до сих пор не позволяет накапливать энергию так дешево и с такой плотностью, как ископаемое топливо, или полностью удовлетворять потребности коммерческих авиаперевозок в том виде, в каком мы их знаем. Итак, что, если мы откажемся от накопления всей энергии на борту и вместо этого направим ее с земли? Позвольте мне в общих чертах рассказать, что нужно для воплощения этой идеи в жизнь.
|
|
|
В качестве беспроводного источника питания инженеры, скорее всего, выбрали бы микроволны, потому что этот тип электромагнитного излучения может беспрепятственно проникать сквозь облака и потому что приемники в самолетах могут полностью поглощать его, практически без риска для пассажиров. Чтобы привести в действие движущийся самолет, микроволновое излучение должно быть направлено плотным, управляемым лучом. Это можно сделать с помощью технологии, известной как фазированная антенная решетка, которая обычно используется для направления лучей радара. При достаточном распределении элементов и их совместной работе фазированные решетки также могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы фокусировать мощность в точке, находящейся на определенном расстоянии, например, в приемной антенне на плоскости.
|
|
|
|
Фазированные антенные решетки работают по принципу конструктивных и деструктивных помех. Излучение от антенных элементов, конечно, будет перекрываться. В некоторых направлениях излучаемые волны будут создавать деструктивные помехи и гасить друг друга, а в других направлениях волны будут идеально совпадать по фазе, конструктивно складываясь. Там, где волны конструктивно пересекаются, энергия излучается в этом направлении, создавая мощный луч, которым можно управлять с помощью электроники. То, как далеко мы можем направить энергию плотным пучком с помощью фазированной решетки, определяется физикой, а именно так называемым дифракционным пределом. Существует простой способ рассчитать оптимальную мощность излучения: D1, D2 > лямбда r. В этом математическом неравенстве D1 и D2 - диаметры передающей и приемной антенн, лямбда - длина волны излучения, а R - расстояние между этими антеннами.
|
|
|
|
Теперь позвольте мне привести несколько приблизительных цифр, чтобы понять, насколько большой должна быть передающая антенна (D1). Размер приемной антенны на самолете, вероятно, является самым большим ограничивающим фактором. Авиалайнер среднего размера имеет площадь крыла и корпуса около 1000 квадратных метров, что должно обеспечить эквивалент приемной антенны шириной 30 метров (D2), встроенной в нижнюю часть самолета. Теперь давайте прикинем, на какое расстояние нам потребуется направить энергию. Длина линии обзора до горизонта для человека, находящегося в самолете на крейсерской высоте, составляет около 360 километров, при условии, что местность внизу ровная. Но горы будут мешать, к тому же никто не хочет беспокоиться о дальности полета, поэтому давайте разместим наши наземные антенны через каждые 200 км вдоль траектории полета, и каждая из них будет излучать энергию, равную половине этого расстояния. То есть установите значение R равным 100 км.
|
|
|
|
Наконец, предположим, что длина волны микроволнового излучения (лямбда) равна 5 сантиметрам. Это обеспечивает золотую середину между длиной волны, которая слишком мала, чтобы проникнуть сквозь облака, и длиной волны, которая слишком велика, чтобы ее можно было собрать на приемном устройстве. Сопоставление этих цифр с приведенным выше уравнением показывает, что в этом случае диаметр наземных антенн (D1) должен составлять по меньшей мере около 170 метров. Это гигантское значение, но, возможно, не лишено смысла. Представьте себе серию из трех или четырех таких антенн, каждая размером с футбольный стадион, расположенных вдоль маршрута, скажем, между Лос-Анджелесом и SFO или между AMS и BER.
|
|
|
|
Хотя то, что я описал, теоретически возможно, на практике инженерам удавалось передавать лишь малую часть энергии, необходимой для авиалайнера, и они делали это только на гораздо меньшие расстояния. НАСА установило рекорд, проведя эксперимент в 1975 году, когда оно передало 30 киловатт энергии на расстояние 1,5 км с помощью антенны размером с дом. Для достижения этого результата команда использовала аналоговое устройство под названием клистрон. Геометрия клистрона заставляет электроны колебаться таким образом, что они усиливают микроволны определенной частоты — примерно так же, как геометрия свистка заставляет воздух колебаться и создавать определенную высоту звука. Клистроны и их собратья, полостные магнетроны (используемые в обычных микроволновых печах), довольно эффективны из-за своей простоты. Но их свойства зависят от точной геометрии, поэтому сложно согласовать множество таких устройств, чтобы сфокусировать энергию в плотный пучок.
|
|
|
|
В последние годы достижения в области полупроводниковых технологий позволили использовать один генератор для управления большим количеством твердотельных усилителей с почти идеальной фазовой координацией. Это позволило фокусировать микроволны гораздо плотнее, чем это было возможно раньше, и обеспечивать более точную передачу энергии на большие расстояния. В 2022 году стартап Emrod из Окленда продемонстрировал, насколько перспективным может быть этот подход, основанный на полупроводниках. Внутри похожего на пещеру ангара в Германии, принадлежащего Airbus, исследователи излучали 550 ватт на 36 метров и удерживали более 95 процентов энергии в узком пучке — намного лучше, чем это было возможно при использовании аналоговых систем. В 2021 году исследовательская лаборатория Военно-морских сил США показала, что эти методы могут работать с более высокими уровнями мощности при передаче более киловатта между двумя наземными антеннами, расположенными на расстоянии более километра друг от друга. Другие исследователи приводили в действие беспилотные летательные аппараты в воздухе, а несколько групп даже намерены использовать фазированные решетки для передачи солнечной энергии со спутников на Землю.
|
|
|
|
Так что передача энергии авиалайнерам, возможно, не совсем безумна. Но, пожалуйста, оставайтесь на своих местах, пристегнув ремни безопасности; из-за этой идеи может возникнуть некоторая турбулентность. Самолету Boeing 737 при взлете требуется около 30 мегаватт энергии — в тысячу раз больше, чем продемонстрировал любой эксперимент с излучением энергии. Достичь такого уровня, сохранив при этом аэродинамичность (и летучесть) наших самолетов, будет непросто. Рассмотрим конструкцию антенны на самолете, которая принимает и преобразует микроволны в электрический ток для питания самолета. Эта выпрямительная антенна, или ректенна, должна быть установлена на нижней поверхности самолета с учетом аэродинамических особенностей. Передача энергии будет максимальной, когда самолет будет находиться прямо над наземной станцией, но в остальное время, когда наземные станции находятся далеко впереди или позади самолета, она будет гораздо более ограниченной. При таких углах луч активировал бы только переднюю или заднюю поверхности самолета, что особенно затрудняло бы получение достаточной мощности.
|
|
|
|
При мощности в 30 МВт на такой небольшой площади плотность мощности будет проблемой. Если самолет размером с Boeing 737, то на каждый квадратный сантиметр rectenna пришлось бы втиснуть около 25 Вт. Поскольку твердотельные элементы матрицы расположены на расстоянии примерно половины длины волны, или 2,5 см, друг от друга, это составляет около 150 Вт на элемент, что опасно близко к максимальной плотности мощности любого твердотельного устройства преобразования энергии. Наивысший балл в конкурсе IEEE/Google Little Box Challenge 2016 года составил около 150 Вт на кубический дюйм (менее 10 Вт на кубический сантиметр). Кроме того, rectenna должна весить очень мало и минимизировать воздействие на воздушный поток над самолетом. Нарушение геометрии rectenna по аэродинамическим причинам может снизить ее эффективность. Современная эффективность передачи энергии составляет всего около 30 процентов, поэтому rectenna не может позволить себе слишком больших компромиссов. И все это оборудование должно будет работать в электрическом поле напряжением около 7000 вольт на метр — такова сила силового луча. Электрическое поле внутри микроволновой печи, которое лишь в три раза слабее, может вызвать коронный разряд или электрическую дугу между зубцами металлической вилки, поэтому просто представьте, что может произойти внутри электроники rectenna.
|
|
|
|
И, говоря о микроволновых печах, я должен упомянуть, что для того, чтобы пассажиры не готовили на своих сиденьях, на окнах любого самолета с электроприводом, несомненно, потребуется такая же проволочная сетка, которая есть на дверцах микроволновых печей, - чтобы уберечь их от обжигающих полей за пределами самолета. Однако у птиц такой защиты не будет. Птица, пролетающая через наш силовой луч вблизи земли, может столкнуться с нагревом более 1000 Ватт на квадратный метр — более сильным, чем от солнца в жаркий день. При подъеме выше луч будет сужаться до фокусной точки, в которой будет гораздо больше тепла. Но поскольку эта точка фокусировки перемещалась бы очень быстро и располагалась бы выше, чем обычно летают птицы, любые жареные утки, падающие с неба, были бы редкостью в обоих смыслах этого слова. Рэй Симпкин, главный научный сотрудник Emrod, сказал мне, что при относительно маломощной системе Emrod приготовление птицы займет “более 10 минут”.
|
|
|
|
Однако, несомненно, возникнут юридические проблемы, и не только со стороны Национального общества Одюбона. Мощность в тридцать мегаватт, передаваемая по воздуху, примерно в 10 миллиардов раз превысит мощность обычных сигналов на 5-сантиметровых длинах волн (диапазон, который в настоящее время используется для любительского радио и спутниковой связи). Даже если бы передатчик смог успешно объединить 99 процентов волн в плотный пучок, 1 процент пропущенных сигналов все равно был бы в сто миллионов раз мощнее разрешенных на сегодняшний день передач. И помните, что авиационные регуляторы заставляют нас выключать мобильные телефоны во время взлета, чтобы приглушить радиопомехи, так что представьте, что они скажут о том, что весь самолет подвергается воздействию электромагнитного излучения, которое значительно сильнее, чем у микроволновой печи. Все эти проблемы, возможно, преодолимы, но только при наличии нескольких очень хороших инженеров (и юристов).
|
|
|
|
По сравнению с юридическими и инженерными трудностями, которые нам пришлось бы преодолевать в воздухе, задачи по созданию передающих решеток на земле, какими бы огромными они ни были, кажутся незначительными. Проблема в том, что их количество просто ошеломляет. Многие полеты выполняются над гористой местностью, в результате чего расстояние до горизонта составляет менее 100 км. Таким образом, в реальной местности нам потребовалось бы больше передатчиков, расположенных близко друг к другу. А для одной трети миль, пройденных авиакомпаниями над океанами, нам, вероятно, пришлось бы создавать плавучие комплексы. Очевидно, что создание инфраструктуры было бы делом не менее масштабным, чем система автомагистралей между штатами США времен Эйзенхауэра.
|
|
|
|
Возможно, люди смогут найти обходные пути для решения многих из этих проблем. Если, например, rectenna слишком сложна в проектировании, возможно, дизайнеры обнаружат, что им не нужно превращать микроволны обратно в электричество — есть прецеденты использования тепла для приведения в движение самолетов. Пилообразная траектория полета, при которой самолет набирает высоту по мере приближения к каждой излучающей станции и плавно опускается после ее прохождения, могла бы помочь решить проблемы с плотностью мощности и полем обзора, а также конструкции "летающего крыла", которые имеют гораздо больше возможностей для больших прямых лучей. Возможно, использование существующих муниципальных аэропортов или установка наземных антенн вблизи солнечных электростанций могли бы снизить некоторые затраты на инфраструктуру. И, возможно, исследователи найдут способы радикально оптимизировать передатчики с фазированными антенными решетками. Возможно, возможно.
|
|
|
|
Безусловно, использование лучевой энергии в авиации сопряжено со многими трудностями. Но и у менее фантастических способов обезуглероживания авиации есть свои проблемы. Самолеты с батарейным питанием даже близко не подходят для удовлетворения потребностей коммерческих авиакомпаний. Удельный вес лучших перезаряжаемых аккумуляторов составляет около 5% от эффективной энергии реактивного топлива. При таких показателях полностью электрическому авиалайнеру пришлось бы заполнить батареями весь свой фюзеляж - к сожалению, для пассажиров не хватило бы места, — и все равно это составило бы лишь десятую часть от общего энергопотребления обычного реактивного самолета. Учитывая, что за последние три десятилетия качество лучших аккумуляторов улучшилось всего в три раза, можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время аккумуляторы не будут использоваться для коммерческих авиаперелетов в том виде, в каком мы их знаем.
|
|
|
|
Водород не сильно продвинулся вперед, несмотря на то, что первые полеты на водородных двигателях были совершены почти 40 лет назад. И это потенциально опасно — настолько, что в некоторых конструкциях водородных самолетов предусмотрены два отдельных фюзеляжа: один для топлива, а другой для людей, чтобы у них было больше времени уйти, если что-то взорвется. Те же факторы, которые не позволяют водородным автомобилям появляться на дорогах, вероятно, не позволят водородным самолетам подниматься в небо. Синтетическое и биотопливо для реактивных двигателей, вероятно, является наиболее разумным предложением. Они дадут нам авиацию в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, только по более высокой цене — возможно, на 20-50 процентов дороже за билет. Но топливо, получаемое из продовольственных культур, может быть вреднее для окружающей среды, чем ископаемое топливо, которое они заменяют, а топливо, получаемое из CO2 и электроэнергии, еще менее экономично. Кроме того, все виды топлива, которые сжигаются при сжигании, могут по-прежнему способствовать образованию инверсионного следа, который составляет более половины воздействия авиации на климат.
|
|
|
|
Большая проблема “разумного” подхода к обезуглероживанию авиации заключается в том, что он вообще не дает нам представления о будущем. В лучшем случае мы получим более дорогую версию того же опыта авиаперелетов, который был в мире с 1970-х годов. Правда, гораздо меньше шансов, что это сработает. Но время от времени полезно изучать подобные безумные идеи. Самолеты сами по себе были безумной идеей, когда их впервые предложили. Если мы хотим очистить окружающую среду и создать будущее, которое на самом деле выглядит как будущее, нам, возможно, придется воспользоваться некоторыми маловероятными схемами.
|
|
|
|
Источник
|
