В 2019 году в порту Сиэтла в ходе демонстрации работы системы направленной передачи энергии, разработанной в PowerLight Technologies, были переданы сотни ватт мощности. Подробностями о разработке делимся к старту флагманского курса по Data Science.
Провода доставляют проблемы электроэнергетическим компаниям: чтобы избежать растрачивания большей части энергии, им приходится повышать подаваемое на кабели напряжение до очень высоких значений. А при электроснабжении общественного транспорта, в том числе поездов и трамваев, провода необходимо использовать вместе с катящимися или скользящими электрическими контактами, которые тяжело обслуживать, они могут искриться, а в некоторых условиях — даже стать источником сложных загрязняющих веществ.
Идёт активный поиск решения этих проблем. В прошедшее десятилетие широкое распространение получила беспроводная зарядка — в основном для портативной электроники, но и для транспортных средств. С ней необходимость многократного подключения и отсоединения кабелей осталась в прошлом. Однако расстояние, на которое таким способом можно передавать энергию, очень малó.
Действительно, сложно заряжать устройство с воздушным зазором всего в пару сантиметров и тем более метров. Неужели нет практического способа беспроводной передачи энергии на бóльшие расстояния?
У некоторых людей при упоминании о беспроводной передаче энергии перед глазами возникают картинки с высоковольтными катушками Николы Теслы и миниатюрными разрядами молнии. И это не такая уж и глупая ассоциация. Теслу действительно занимала идея каким-то образом использовать землю и атмосферу как канал для передачи энергии на большие расстояния. Его задумка осталась нереализованной, но мечта о беспроводной передаче энергии на большие расстояния продолжала жить.
Чтобы продемонстрировать безопасность этой системы, ведущий научной программы BBC Bang Goes the Theory («Проверь теорию на прочность») подставил своё лицо под энергетический пучок.
Современник Теслы Гульельмо Маркони понял, как использовать «волны Герца» (сегодня их называют электромагнитными) для передачи сигналов на большие расстояния. А это привело к пониманию того, что можно использовать те же самые волны для переноса энергии из одного места в другое. Ведь именно так вся накопленная в древесине, угле, нефти и природном газе энергия оказалась там изначально: передавалась в пространстве на 150 млн. км в виде электромагнитных волн / солнечного света (причём её бóльшая часть — миллионы лет назад).
Применимы ли те же самые физические принципы для замены проводов сегодня? Мы с коллегами из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне, округ Колумбия, считаем, что да, и вот почему.
В ХХ веке предпринимались единичные попытки использовать электромагнитные волны как средство беспроводной передачи энергии, но результаты были неоднозначные. «Золотым» для исследований беспроводной передачи энергии, возможно, стал 1975 год, когда Уильям Браун, который работал на Raytheon, и Ричард Дикинсон из Лаборатории реактивного движения НАСА (ныне в отставке) с помощью микроволн осуществили передачу энергии в лаборатории. КПД «от и до» составил более 50%. В ходе отдельного эксперимента им удалось передать более 30 кВт на расстояние около мили (1,6 км).
Эти опыты были частью масштабной кампании НАСА и Министерства энергетики США по изучению возможности использования спутниковых солнечных электростанций, на которых предполагалось в будущем получать солнечный свет из космоса и в виде микроволн передавать энергию на Землю. Но, поскольку это направление исследований появилось по большей части в ответ на энергетический кризис 1970-х годов, интерес к таким электростанциям в последующие десятилетия угас, по крайней мере в США.
И, хотя исследователи регулярно возвращаются к этой идее, при проведении реальных опытов по передаче энергии им с трудом удаётся повторить рекорд 1975 года по эффективности, дальности и уровню мощности. Но ситуация начинает меняться благодаря недавним достижениям в технологиях приёма и передачи энергии.
Первые попытки передачи энергии с лазерным пучком ограничивались микроволновыми частотами — той же частью электромагнитного спектра, которую сегодня заполонили Wi-Fi, Bluetooth и многие другие технологии беспроводной передачи сигналов. Такой выбор отчасти был обусловлен тем простым фактом, что эффективное микроволновое приёмно-передающее оборудование уже было доступно.
Но также повышаются эффективность и доступность устройств, работающих на гораздо более высоких частотах. Поскольку у эффективной передачи энергии в определённых участках электромагнитного спектра имеются атмосферные ограничения, исследователи сосредоточились на частотах микроволнового, миллиметрового и оптического диапазонов. Хотя у микроволновых частот есть небольшое преимущество в эффективности, для них нужны антенны покрупнее. Поэтому для многих задач миллиметровые или оптические каналы передачи предпочтительнее.
Для систем, в которых используются микро- и миллиметровые волны, в передатчиках обычно применяются твердотельные электронные усилители, а также фазированные антенные решётки, антенны параболические или из метаматериалов. В приёмнике микро- или миллиметровых волн используется элементная решётка-ректенна, то есть выпрямляющая антенна. Это слово указывает, как в каждом элементе электромагнитные волны преобразуются в электрическую энергию постоянного тока.
В любой системе, предназначенной для оптической передачи энергии, скорее всего, будет использован лазер с жёстко ограниченным пучком, например волоконный лазер. Приёмники для оптической передачи энергии — это специальные фотоэлементы для высокоэффективного преобразования фиксированной длины волны света в электроэнергию. Их КПД может превышать 70% (более чем в два раза выше, чем у элемента солнечной батареи).
Мы в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США почти 15 лет изучали различные варианты передачи энергии и их возможное применение. Это увеличение продолжительности полёта и грузоподъёмности дронов, питание находящихся в темноте орбитальных спутников и луноходов на тёмной стороне Луны, отправка энергии из космоса на Землю и т. д.
Так что устройство для передачи в узком пучке большого количества энергии по воздуху вполне может сойти за бластер. Это подводит нас к сути важнейшего фактора: плотности мощности. Теоретически возможны различные плотности мощности — от слишком низкой и потому бесполезной до достаточно высокой и опасной. Но между этими двумя крайностями можно найти золотую середину. А кроме того, есть разумные способы не допускать опасного применения пучков с высокой плотностью мощности. Именно этим и занималась моя команда в 2019 году и с тех пор успешно продвинулась в своей работе.
В компании одного из наших партнёров, PowerLight Technologies (бывшая LaserMotive), уже более 10 лет разрабатываются лазерные системы передачи энергии. В 2009 году её признали победителем в конкурсе NASA Power Beaming Challenge. В этой компании не только добились успехов в питании роботов-скалолазов, квадрокоптеров и летательных аппаратов с неизменяемой геометрией крыла, но и глубоко изучили проблемы безопасной передачи энергии с использованием лазеров. Это ключевой момент, потому что во многих исследовательских группах годами экспериментируют над передачей энергии с помощью лазера, в том числе в командах Научно-исследовательской лаборатории ВМС, Киндайского университета, Пекинского технологического института, Колорадского университета в Боулдере, Японского агентства аэрокосмических исследований, компании Airbus и др., но мало кому удалось сделать её по-настоящему безопасной при любых правдоподобных обстоятельствах.
На этой диаграмме показаны пиковые уровни мощности и расстояния, достигнутые в 11 проведённых с 1975 по 2021 год экспериментах по передаче энергии с использованием как микроволн (синим цветом), так и лазеров (красным). Рекорд пиковой мощности установлен в 1975 году (вверху). В 2021 году автор с коллегами занял второе и третье места по пиковому уровню мощности, передав более 1 кВт на расстояние более километра и использовав гораздо меньшие антенны.
Пожалуй, самый впечатляющий (до попытки нашей команды) эксперимент по безопасной передаче энергии с помощью лазера провели в 2012 году в компании Lighthouse Dev. Демонстрируя безопасность этой системы, ведущий научной программы на BBC Bang Goes the Theory («Проверь теорию на прочность») подставил своё лицо под пучок энергии, посланный между зданиями Мэрилендского университета. В этом конкретном эксперименте учитывался тот факт, что некоторые длины волн инфракрасного диапазона на порядок безопаснее для глаз, чем волны других частей инфракрасного спектра.
Эта стратегия применима для относительно маломощных систем. Но по мере повышения уровня быстро достигаются значения плотности мощности, при которых возникают угрозы безопасности вне зависимости от используемой длины волны. И что из этого? А то, что в этом система, продемонстрированная нами, отличается от других. При отправке более 400 Вт на расстояние свыше 300 м пучок был заключён в виртуальную оболочку, способную распознать сталкивающийся с ней объект и отключить питание оборудования основного пучка до причинения какого-либо вреда. В другом эксперименте показано, что расстояние, на которое передаётся энергия, может превысить километр.
При тщательном тестировании (без привлечения ведущих научной программы BBC), к нашему удовлетворению, пригодность этой функциональности подтвердилась. К тому же она прошла проверку качества в комиссии по безопасности лазеров ВМС. В ходе нашего эксперимента система показала себя ещё лучше: птицы не единожды летели к пучку и отключали его, но лишь на мгновение. Дело в том, что в системе отслеживаются объём, который занимает пучок, и его ближайшее окружение. Это позволяет автоматически восстановить канал передачи, когда путь снова свободен. Это как датчик безопасности гаражных ворот, когда сервомотор двери отключается при возникновении препятствия на пути движения ворот.
Надо признать: те 400 Вт, которые нам удалось передать, — небольшое количество, но их оказалось достаточно, чтобы сварить кофе.
Во время наших экспериментов наблюдатели могли ходить между передатчиком и приёмником без предохраняющих от лазерного излучения очков или каких-либо других мер предосторожности. Ведь мы не только позаботились о возможности автоматического отключения системы, но и учли вероятные эффекты отражений от приёмника или рассеяния света от взвешенных частиц в воздухе по всей длине пучка.
На этих трёх изображениях вверху показана большая белая параболическая антенна, посредине — золотистый квадрат, а внизу — высокая металлическая башня. В прошлом году автор с коллегами провёл эксперимент на испытательной установке армии США в Блоссом-Пойнте к югу от Вашингтона, округ Колумбия. Они использовали микроволны с частотой 9,7 ГГц для передачи 1649 Вт (пиковая мощность) от передатчика, оснащённого параболической антенной диаметром 5,4 м (вверху), на расстояние 1046 м до «ректенны» размером 2 х 2 м (посредине), установленной на башне (внизу), в которой пучок преобразовывался в электрическую энергию.
Повторимся: те 400 Вт, которые нам удалось передать, — небольшое количество, но их оказалось достаточно, чтобы, следуя модной в этом направлении исследований традиции приготовления какого-нибудь горячего напитка, сварить кофе. Эту традицию ввели японские исследователи, которые в 2015 году приготовили себе чай.
Наша следующая цель — применить передачу энергии с полностью интегрированной безопасностью к мобильным платформам. Для этого мы надеемся увеличить расстояние и количество передаваемой энергии.
Но мы не одиноки: в других правительствах, крупных компаниях и стартапах по всему миру работают над разработкой собственных систем передачи энергии. Япония уже давно лидирует в области передачи энергии с помощью микроволн и лазеров, а Китай, как и Южная Корея, сократил отставание, а может, даже вырвался вперёд.
В сфере бытовой электроники много игроков: Powercast, Ossia, Energous, GuRu, Wi-Charge и др. А в транснациональном технологическом гиганте Huawei ожидают появления технологии передачи энергии для зарядки смартфонов в течение «двух или трёх поколений (телефонов)».
Что касается промышленного применения, то в таких компаниях, как Reach Labs, TransferFi, MH GoPower и MetaPower, передачу энергии успешно используют при решении сложной проблемы хранения заряжённых и готовых к работе батарей для роботов и датчиков на складах и в других местах. На сетевом уровне в Emrod и других компаниях пытаются масштабировать передачу энергии, вывести её на новые высоты.
На фронте НИОКР в прошлом году наша команда протестировала безопасную беспроводную передачу энергии с помощью микроволн на 1,6 кВт мощности и на расстояние километра. В II-VI Aerospace & Defense, Peraton Labs, Lighthouse Dev и других компаниях тоже недавно добились впечатляющих успехов. Сегодня амбициозные стартапы Solar Space Technologies, Solaren, Virtus Solis и др., работающие в этом направлении негласно, стараются первыми осуществить передачу энергии из космоса на Землю.
По мере демонстрации рекордных результатов по части безопасности и приводиться убедительные аргументы в пользу полезности их систем, мы, вероятно, увидим совершенно новые архитектуры для передачи энергии с места на место. Представьте себе дроны, способные летать бесконечно долго, и электрические устройства, не требующие подключения к сети — никогда — и способные обеспечить людей энергией в любой точке мира, когда местная электросеть подвергается воздействию ураганов или других стихийных бедствий. Снижение потребности в транспортировке топлива, батареях или других видах накопленной энергии будет иметь далеко идущие последствия. Это не единственный вариант, когда нет возможности тянуть провода. Но мы с коллегами ожидаем, что в связи с таким выбором всевозможных технологий передача энергии для обеспечения электричеством отдалённых мест пойдёт очень хорошо.
Не стоит на месте и наша наука. В конце 2018 года российская «Оптоэнерготрейд» разработала технологию зарядки БПЛА энергией, переданной по лазерному лучу. А мы поможем прокачать ваши навыки или с самого начала освоить профессию, актуальную в любое время:
Выбрать другую востребованную профессию.
