Беспроводная энергетика, которая когда-то была предметом научной фантастики, становится краеугольным камнем природосберегающих технологий и в один прекрасный день может стать основой первой внеземной инфраструктуры человечества.
По мере того, как человечество выходит за пределы Земли в поисках ответов на растущий спрос на энергию и обработку данных, космос превращается в обширную лабораторию для создания природосберегающих энергетических и вычислительных систем. Одна из смелых идей заключается в создании солнечных ферм на орбите, которые будут непрерывно собирать солнечный свет, независимо от наступления темноты или облачного покрова, и передавать эту энергию по беспроводной сети на Землю с помощью микроволн или лазера. Недавние открытия показывают, что это больше не научная фантастика. Такие технологии, как оптическая беспроводная передача энергии с использованием лазерных лучей точной формы, вскоре смогут обеспечивать электроэнергией космические солнечные станции, луноходы или даже обеспечивать работу огромных центров обработки данных на орбите с помощью чистой энергии.
Лазеры и будущее энергоснабжения
Будущее, в котором солнечная энергия будет собираться на орбите и доставляться на Землю с помощью невидимых лучей, неуклонно приближается к реальности. Недавние исследования, проведенные такими организациями, как NTT Group и Mitsubishi Heavy Industries (MHI), установили новый ориентир, обеспечив самый эффективный в мире способ оптической беспроводной передачи энергии в условиях атмосферных помех. В ходе полевых испытаний инженеры передавали энергию на расстояние в 1 километр, вырабатывая 152 Вт электроэнергии с помощью лазерного луча мощностью 1035 Вт с КПД 15%. Это достижение стало спасательным кругом для регионов, где нет кабельной связи – от зон, где часто случаются стихийные бедствия, до орбитальной инфраструктуры.
Микроволновая печь или лазер? Конкурирующие способы беспроводной передачи энергии
Микроволновые системы, работающие в основном в диапазоне низких гигагерц, представляют собой надежный и хорошо зарекомендовавший себя способ передачи энергии. Они эффективно проникают сквозь облака и дожди и обладают высоким запасом прочности благодаря относительно низкой плотности энергии. В демонстрационных системах «Космос-Земля» уже используются микроволновые ректенны, хотя для них требуются большие антенны и существуют ограничения по фокусировке луча и полосе пропускания.
Лазерные системы, использующие инфракрасный или видимый свет, обеспечивают высокую точность луча, четкую направленность и возможность одновременной передачи энергии и данных. Основная задача при передаче оптической энергии заключается в эффективном преобразовании полученной лазерной энергии в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта, особенно когда атмосферная турбулентность и поглощение ослабляют луч. Эффективные приемники также требуют тщательного контроля профиля интенсивности луча во время передачи.
Рекордный эксперимент
В начале 2025 года исследователи из NTT и MHI провели знаковое испытание в аэропорту Нанки-Сирахама в префектуре Вакаяма, Япония, о чем сообщается в журнале Electronics Letters. Они встроили дифракционный оптический элемент (ДОЭ) в передатчик и установили гомогенизатор перед фотоэлектрическим приемником для достижения однородного профиля интенсивности луча. ДОЭ изменил форму гауссова луча источника, придав ему равномерное распределение после прохождения более одного километра.
С помощью специального лазерного стенда команда проецировала этот луч через взлетно-посадочную полосу на фотоэлектрическую панель. Несмотря на сильный ветер и нагрев грунта, система выдавала в среднем 152 Вт при КПД 15% в течение 30 минут без перерыва – это самый высокий показатель эффективности фотоэлектрического преобразования на основе кремния в условиях сильных атмосферных помех. Этот успех зависел от передовых методов формирования луча, которые позволяли сохранять стабильность излучения на расстоянии.
Устройство для формирования луча
Обычные лазеры излучают гауссовский луч: самый яркий в центре и затухающий к краям, что приводит к растеканию луча по мере его распространения. Инженеры использовали линзы аксикон, чтобы преобразовать ее в пучок Бесселя, узкое центральное ядро которого окружено слабыми концентрическими кольцами и может «самовосстанавливаться» после прохождения через турбулентность. Математически эти кольца описываются функциями Бесселя, решениями дифференциального уравнения второго порядка, которое возникает во многих физических и инженерных задачах с круговой или цилиндрической симметрией.
Затем вогнутая линза сгладила энергетический профиль луча, а гомогенизатор, расположенный на расстоянии 400 мм перед фотоэлектрической панелью, сгладил колебания, вызванные горячим воздухом и ветром. И, наконец, шунтирующие конденсаторы, подключенные параллельно к каждому солнечному элементу, уменьшили колебания тока, вызванные атмосферными помехами. Вместе эти элементы создавали стабильный и равномерный луч, демонстрируя важный шаг на пути к практической беспроводной передаче энергии на большие расстояния.
Рис. 1: Принцип работы оптической беспроводной системы передачи энергии
С Земли в космос: новые возможности применения
Хотя эти испытания проводились на Земле, их результаты распространяются далеко за пределы орбиты. Возможность передавать энергию по беспроводной сети может произвести революцию в области доставки энергии в космос. Представьте себе огромные солнечные фермы, вращающиеся вокруг Земли, непрерывно собирающие солнечный свет и передающие чистую энергию на наземные станции. Такая технология могла бы также использоваться для луноходов, беспроводной зарядки беспилотных летательных аппаратов или электроприборов в отдаленных районах, пострадавших от стихийного бедствия.
Пожалуй, наиболее захватывающей является перспектива создания космических центров обработки данных. Размещая вычислительные мощности на орбите, где проще охлаждение и много солнечной энергии, компании могли бы сократить объем использования инфраструктуры обработки данных на Земле. Оптические линии электропередачи обеспечивали бы работу этих платформ, а также передавали бы данные на Землю с минимальной задержкой.
Рис. 2: Художественное изображение центра обработки данных на солнечной энергии на околоземной орбите
Дальнейший путь
Проект NTT Group под названием Constellation 89 (C89), консорциум, специализирующийся на космических инновациях, возглавляет эти достижения. Исследования компании указывают на экосистему, в которой геостационарные спутники, группы наблюдения и высотные платформы обмениваются энергией и данными с помощью беспроводных каналов.
Задачи остаются нерешенными: совершенствование фотоэлектрического преобразования, масштабирование передачи на тысячи километров и разработка надежных приемников. Но с каждым новым прорывом концепция экологически чистых космических сетей электроснабжения становится все более достижимой.
Беспроводная энергетика, которая долгое время оставалась в сфере фантастики, постепенно становится краеугольным камнем природосберегающих технологий и в один прекрасный день может стать основой для создания первой инфраструктуры человечества за пределами Земли.
