До «променям смерті» ми звикли з дитинства, задовго до появи лазерів, ще з «Війни світів» і «Гіперболоїда інженера Гаріна». Військові мріють поставити бойові лазери на озброєння, щоб знищувати ракети, дрони і супутники противника. Але вони можуть нести не смерть, а ще трохи життя - енергію.
«Безпілотники стали дуже популярною темою. Для чого їх тільки не намагаються використовувати - вони і піцу розвозять, і поле бою розвідують ... При цьому всі змушені долати головну перешкоду - занадто короткий час польоту. Мультикоптер залишаються в повітрі по 10-20 хвилин, на найсучасніших акумуляторах - 25-30. Цього часто не вистачає », - говорить інженер з РКК« Енергія »Віталій Капранов.
Справді, багатьом апаратам потрібно залишатися в повітрі годинами, ведучи моніторинг газопроводів або стану залізниць, аерофотозйомку районів лих, охорону територій, ретрансляцію сигналу. Для таких завдань можна використовувати безпілотники «літакового типу» з двигунами внутрішнього згоряння, але вони не дуже маневрені і нездатні зависати в одній точці. У багатьох випадках електричні квадрокоптера зручніше, і їх користувачі йдуть на різні хитрощі, щоб продовжити термін роботи: возять додаткові акумулятори або навіть запасні дрони, щоб швидко проводити заміну, поки відпрацював свій час апарат залишається на підзарядці.
Окремі моделі безпілотників працюють «на прив'язі», отримуючи електроенергію з землі. Однак дроти важкі, їх здуває вітром разом з самим безпілотником, і межа висоти для таких апаратів рідко перевищує 200 м, висота 1 км вже недосяжна. Робляться спроби живити безпілотники по оптоволокну, відправляючи наверх імпульси інфрачервоного лазера. Воно вдесятеро легше металевого дроту - але, на жаль, не призначене для передачі великих потужностей і легко перегрівається, що сильно ускладнює справу.
Енергетична «прив'язь» безпілотників неминуча -, але вона може стати зовсім невагомою і майже нескінченної, живлячи апарати безпосередньо, чистим лазерним променем. Такий проект розробляють Віталій Капранов, Іван Мацак і група молодих інженерів з Комітету інноваційних проектів (КІПМ) РКК «Енергія». «Наша технологія може забезпечити цілодобову роботу безпілотників без необхідності підзарядки», - каже Іван.
Про користь арсеніду
Світло в фотоелементах перетворюється в електрику завдяки фотоефекту: фотони високих енергій «вибивають» з матеріалу електрони - і виникає струм. Різні напівпровідники відрізняються ефективністю перетворення світла і різною чутливістю до випромінювання різної довжини хвилі. Як правило, сонячні батареї роблять з кремнію, він недорогий, але в ток він перетворює зазвичай не більше 10% енергії падаючого світла. Арсенід галію (GaAs) дорожче, але й ефективніше. В інфрачервоному діапазоні, на довжині хвилі близько 808 нм, його продуктивність досягає 60%.
Це породило велику моду на створення автономних безпілотників, здатних повністю забезпечувати власні енергетичні потреби від бортових панелей сонячних батарей. Однак Сонце випромінює в широкому діапазоні хвиль, і панелі доводиться робити «універсальними», здатними вловлювати фотони різної енергії. Лазерний промінь дозволяє працювати набагато ювелірні: він має строго певну частоту і дозволяє заздалегідь підібрати матеріал фотоелемента так, щоб фотони саме цієї довжини хвилі вибивали з нього максимальну кількість електронів. Це підвищує ефективність енергосистеми, знижує її розміри і вага.
Проект, над яким працюють Капранов, Мацак та їх колеги, використовує для передачі енергії інфрачервоні лазери з двома довжинами хвиль - 808 і 1064 нм. 808-нанометровий промінь орієнтується на фотоелементи на базі арсеніду галію з ефективністю перетворення енергії до 40%. Але ця довжина хвилі хороша лише на малих дистанціях: вже при кілометровому видаленні пучок виросте в метрове розмите пляма. «З 1064 нм ми втрачаємо 10% ефективності, але зате на кілометрі промінь дає пляма лише в 3 см», - пояснює Капранов.
Зарядна станція з системою наведення може безперервно постачати безпілотник енергією, якщо він не відлітає за межі видимості або якщо апарат літає по певному маршруту і заряджається в якійсь певній точці своєї траєкторії. При необхідності таким чином можна тримати БПЛА в повітрі цілодобово, у багатьох випадках отримуючи дешеву альтернативу космічному апарату.
Ефективність перетворення енергії
Монохроматичне випромінювання (809 нм), приймач з концентрує оптикою, паралельне з'єднання фотоелементів.
З даху на дах
До сьогоднішнього дня інженери з комітету інноваційних проектів «Енергії» вже розробили систему наведення лазерного променя, яка чутливо утримує безпілотник на прицілі. Вона стежить за апаратом, орієнтуючись на відображення сигналу слабкого «навігаційного» лазера від уголкового відбивача на корпусі, з точністю до 0,1 °. Подальше наведення забезпечує мініатюрне дзеркало всередині оптичної системи «лазерної гармати». Воно дозволяє змінювати напрямок променя з точністю до тисячних часток градуса, орієнтуючись на потік енергії від осередків фотоприймача, і добиватися максимального рівня отриманої енергії.
У космосі лазерна передача енергії буде ще ефективніше, ніж по повітрю: тут майже нема чому поглинати і розсіювати випромінювання. Зараз багато космічні апарати отримують енергію від сонячних батарей, але їх масивні «крила» в космосі створюють багато проблем. «Розмір панелей пропорційний потребам в потужності, - говорить Іван Мацак. - Потрібно багато енергії - потрібні великі батареї. Маса космічного апарату зростає, збільшується маса палива, знижується корисне навантаження ».
Крім того, на деякі супутники сонячні батареї просто нікуди ставити. Розміри сучасних мікросупутників вимірюються десятками сантиметрів і дозволяють розмістити в кращому випадку кілька квадратних дециметрів сонячних панелей. Конструкторам доводиться битися за кожен споживаний ват, а вже про те, щоб поставити на такі апарати енергоємну навантаження (наприклад, електрореактивних двигун для підтримки орбіти), і мови не йде. Мікросупутники зазвичай живуть кілька місяців, виконують своє завдання і згоряють в атмосфері. Але лазером їх можна було б заряджати прямо з борту МКС, продовжуючи термін служби.
І ця ідея буде випробувана вже в найближчі роки. Розроблений Іваном Мацак та його колегами космічний експеримент «Пелікан» дозволить випробувати новий шлях передачі енергії з російського сегмента МКС на борт вантажного корабля «Прогрес». На відстані 1 км пляма від лазерного променя матиме діаметр 30-40 см, потрапляючи на фотоприймач такого ж розміру. Для того щоб передавати енергію з Землі, буде потрібна додаткова фокусуються система - за розрахунками вчених, в цій ролі може виступити і звичайний телескоп з дзеркалом діаметром близько 2 м.
Вчені оцінили можливість застосування такої системи для енергопостачання типового великого супутника. «Давайте візьмемо такий апарат, як« Ресурс-П », - пояснює Віталій Капранов. - Його сонячні батареї площею 5 × 5 м можна замінити приймачем розмірами 1 × 1 м і додатково полегшити супутник в півтора рази. Тобто ми могли б скоротити вимоги до потужності виводить його ракети або поставити більше приладів ».
Але інженери готові піти ще далі і вивести в космос цілу електростанцію - супутник з потужною енергетичною установкою на основі ядерного реактора і з лазерним передавачем енергії. Такий апарат зможе живити відразу безліч супутників - наприклад, флот міжорбітальних буксирів, які будуть довиводіть на високі орбіти найважчі телекомунікаційні супутники. Теоретично, подібні електростанції зможуть забезпечувати енергією і дослідні ровери на інших планетах. «Ми опрацьовуємо і такі проекти», - запевнили нас інженери РКК.