Вокруг света №1 (2832) | Январь 2010

Лазеры прямой наводкой

Казалось бы, лазер идеально подходит для передачи энергии на расстояние: он дает когерентный, почти не расходящийся пучок света с большой плотностью энергии, что облегчает прием луча и его преобразование в электричество. Однако именно высокая концентрация энергии делает эту технологию небезопасной. Конечно, не стоит представлять себе бьющий из космоса лазерный луч этакой невидимой (или даже, на оборот, пылающей) энергетической нитью, способной разрезать пополам случайно налетевший на нее самолет. Путь от геостационарной орбиты неблизкий — 36 тысяч километров, и даже идеально сформированный луч, пройдя такое расстояние, будет уже диаметром в пару сотен метров. Греть он будет в десятки раз сильнее полуденного Солнца, но реактивный самолет подвергнется такому облучению лишь на секунду и, скорее всего, выдержит (а вот пассажиры вполне могут получить ожог сетчатки). Иное дело — птица, случайно влетевшая в зону действия луча. Ее судьбе не позавидуешь, как и тем существам, по кому этот луч скользнет при малейшей ошибке в ориентации космической электростанции, например, из-за попадания метеорита или сбоя автоматики.

Но с проблемами безопасности можно было бы справиться, умей лазер эффективно передавать энергию. Не так давно японцы добились преобразования солнечного света в лазерное излучение с довольно приличным КПД — 42%. Существуют и приемники с неплохим КПД, превращающие лазерный свет в электричество. Но, увы, эффективные передатчики и приемники работают в разных спектральных диапазонах и совместно применяться не могут. Добавьте к этому невозможность использования лазерной передачи в пасмурную погоду — и перспективы этой технологии для космической энергетики станут еще более туманными. Зато лазерный канал можно использовать на Земле. Например, в японском Университете Кинки смогли 20 минут питать лазером двигатель мотодельтапланчика с размахом крыла около метра. Аналогичные работы проводились и в NASA.

Прототип космического лифта получает по лазерному лучу около киловатта энергии и с КПД 20% использует ее для подъема по свисающему с вертолета километровому тросу. В ноябре 2009 года на пятых ежегодных гонках космических лифтов этот аппарат, созданный компанией LaserMotive из Сиэтла, преодолел зачетный 900-метровый отрезок за 3 минуты 48 секунд (со средней скоростью 3,95 м/с), вы играв приз 900 000 долларов. Беспроводное питание — принципиальное условие соревнований, проводимых под эгидой Spaceward Foundation и NASA.

Нежная ректенна

Другой возможный способ доставки энергии на Землю — это радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) в диапазоне от 2,45 до 5,8 ГГц. Они почти не поглощаются атмосферой, не отражаются ионосферой и вдобавок эффективно преобразуются в электричество. Выполняет это преобразование так называемая ректенна — от английских слов rectifying antenna (выпрямляющая антенна). К обычной дипольной антенне размером несколько сантиметров (порядка длины волны излучения) подключают быстродействующий диод Шоттки. Множество таких антенн собирают в решетку, покрывающую достаточно большую площадь, и соединяют между собой, чтобы суммировать выработанный в них электрический ток. Обычный радиоприемник можно сравнить с качелями. Он настраивается на частоту крайне слабого сигнала, чтобы тот, попав строго в резонанс, «раскачал» переменный ток в антенной цепи. Потом этот ток усиливается за счет батареек, и из него извлекают информацию (например, звук или телевизионное изображение).

Ректенна, напротив, рассчитана на сильный сигнал. Каждая приходящая электромагнитная волна с силой толкает электроны в диполе то в одну, то в другую сторону. Однако диод обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока и позволяет току, который возникает под воздействием СВЧ-излучения, идти только в одну сторону. Получается пульсирующий постоянный ток, причем в него переходит большая часть энергии излучения. Еще в 1964 году американский физик Уильям Браун на телеканале CBS демонстрировал модель вертолета с такой ректенной. Энергию он получал от микроволнового излучателя на Земле, и ее хватало, чтобы держать аппарат в воздухе. Позднее, изучая проект СКЭС в Лаборатории реактивного движения NASA, Браун смог передать 30 кВт на расстояние в одну милю с КПД 84%. Неясно, правда, имеется ли в виду КПД всей цепочки «электричество — СВЧ — электричество» или только второй ее половины, но результат все равно впечатляет.

Ректенна могла бы стать удачным решением проблемы беспроводной передачи энергии, если бы не одно обстоятельство: полупроводниковые диоды Шоттки — очень нежные элементы и не выдерживают больших потоков энергии. Поэтому для создания мощного канала нужны большие площади ректенн с огромным числом маленьких диполей и диодов. Подсчитано, что для передачи с геостационарной орбиты пяти гигаватт мощности придется строить передатчик в космосе диаметром в 1 километр (!) и приемник на Земле поперечником в 10 километров. Зато при такой площади плотность потока энергии оказывается много меньшей, чем от Солнца, и опасности система не представляет. Вот только не выгоднее ли в таком случае построить обычную солнечную электростанцию, пусть даже она будет простаивать по ночам и в плохую погоду?

Забытая технология

Добыть электричество из космоса — замысел очень привлекательный, так что попытки преобразовать «концентрированные» потоки СВЧ в электроэнергию делались постоянно. Однако первые работы в этой области давали удивительно низкий КПД — менее 0,1%. Удача улыбнулась группе из Физического института им. Лебедева (ФИАН) под руководством Гургена Аскарьяна (см. стр. 74), одного из самых оригинальных и интересных российских физиков.

Экспериментаторы использовали в качестве антенны помещенный в вакуум металлический стержень, вблизи которого с помощью искры или лазера создавалась плазма. Через окно вакуумной камеры подавались короткие, но мощные импульсы СВЧ, порождавшие между стержнем и корпусом камеры электрический ток, от которого даже удалось зажечь лампочку. Фактически роль хрупких диодов Шоттки в эксперименте Аскарьяна играла плазма, окружающая стержень. Она не разрушалась сильными токами, доходившими до 200 ампер и напряжениями до 1500 вольт. «Показана возможность эффективного преобразования энергии радиоволн в энергию тока с КПД > 10%», отмечалось в небольшой заметке, напечатанной в 1979 году в академическом ежемесячнике «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики», предназначенном для оперативной публикации кратких сообщений о наиболее интересных научных результатах.