Технология, способная собирать солнечную энергию в космосе и передавать ее на Землю становится реальной

Прочитано: 286 раз(а)


Когда-то считавшаяся научной фантастикой, технология, способная собирать солнечную энергию в космосе и передавать ее на Землю, чтобы обеспечить глобальные поставки чистой и доступной энергии, становится все ближе к реальности. В рамках проекта «Космическая солнечная энергия» (SSPP) группа исследователей Калифорнийского технологического института работает над развертыванием группировки модульных космических кораблей, которые собирают солнечный свет, преобразуют его в электричество, а затем передают его по беспроводной сети туда, где оно необходимо, в том числе в места, которые в настоящее время не имеют доступа к надежному источнику питания.

«Это экстраординарный и беспрецедентный проект», — говорит Гарри Этуотер, исследователь SSPP и руководитель отдела Отиса Бута отдела инженерии и прикладных наук Калифорнийского технологического института. «Это пример смелости и амбиций, необходимых для решения одной из самых серьезных проблем нашего времени, обеспечения мира чистой и доступной энергией».

Проектом совместно руководит Этуотер, который также является профессором прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза, и двумя другими исследователями: Али Хаджимири, профессором электротехники Брена и содиректором SSPP; и Серхио Пеллегрино, профессор аэрокосмической и гражданской инженерии Джойса и Кента Креса, содиректор SSPP и старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения (JPL).

Использование солнечной энергии в космосе зависит от прорывных достижений в трех основных областях:

  • Исследовательская группа Этуотера разрабатывает сверхлегкие высокоэффективные фотоэлектрические элементы (материалы, преобразующие свет в электричество), оптимизированные для космических условий и совместимые со встроенной модульной системой преобразования и передачи энергии.
  • Исследовательская группа Хаджимири разрабатывает недорогую и легкую технологию, необходимую для преобразования энергии постоянного тока в мощность радиочастоты (которая используется, например, для передачи сигналов сотового телефона) и отправки ее на Землю в виде микроволн. Процесс безопасен, объясняет Хаджимири. Неионизирующее излучение на поверхности значительно менее вредно, чем нахождение на солнце. Кроме того, система может быть быстро отключена в случае повреждения или неисправности.
  • Группа Пеллегрино изобретает складные, ультратонкие и сверхлегкие космические конструкции для поддержки фотогальваники, а также компоненты, необходимые для преобразования, передачи и направления радиочастотной энергии туда, где она необходима.

Исследователи предполагают, что основной единицей системы является плитка размером 4 на 4 дюйма, которая весит менее одной десятой унции. Сотни тысяч этих плиток будут объединены в систему спутников, похожих на ковер-самолет, которые после развертывания создадут собирающую солнечный свет поверхность площадью 3,5 квадратных мили.

Этуотер, Хаджимири и Пеллегрино обсудили свой прогресс и трансформационный потенциал космической солнечной энергетики, поскольку проект приближается к важной вехе: испытательному запуску прототипов в космос в декабре 2022 года.

Опишите концепцию космического проекта солнечной энергетики. Как оформлялся проект?

Серхио Пеллегрино: Более 10 лет назад, в 2011 году, начались разговоры с Дональдом Бреном, в которых он спрашивал, есть ли у Калифорнийского технологического института какие-либо идеи, касающиеся исследований в области устойчивой энергетики и космоса. Мы начали обсуждать в группе преподавателей способы развития наших интересов и того, что происходит в каждой из наших областей, что может привести к очень эффективной исследовательской инициативе. В течение нескольких месяцев у нас появилось видение — я назвал это мечтой — трех или четырех технологических прорывов, которые в совокупности изменят подход к космической солнечной энергетике.

Али Хаджимири: В прошлом эта концепция была настоящей научной фантастикой. Что позволило нам рассмотреть вопрос о переносе этого из области научной фантастики в область реальности, так это сочетание разработок, происходящих в фотогальванике в лаборатории Гарри, в конструкциях в лаборатории Серджио и в беспроводной передаче энергии, которая происходит в моей лаборатории. лаборатория Мы поняли, что теперь мы можем использовать космическую солнечную энергию таким образом, который становится одновременно практичным и экономичным.

Один из первых вопросов, который кто-либо задает: «Почему вы хотите разместить фотоэлектрические элементы в космосе?» Что ж, в космосе, где нет дня и ночи, облаков и тому подобного, вы получаете примерно в восемь раз больше энергии. Видение этой программы состоит в том, чтобы обеспечить столько энергии, сколько вам нужно, где вам это нужно и когда вам это нужно.

Какого прогресса вы добились в реализации этого амбициозного видения?

Пеллегрино: В течение двух лет мы построили и продемонстрировали прототип плитки. Это ключевой модульный элемент, который улавливает солнечный свет и передает мощность. Благодаря этому процессу мы многое узнали о том, как проектировать высокоинтегрированные и сверхлегкие системы такого рода. Затем мы разработали второй прототип, который на 33% легче первого.

Хаджимири: Эта плитка является строительным блоком, как упомянул Серджио, более крупной системы. Он должен быть полностью функциональным, совместимым и масштабируемым. Хотя это может показаться простым, на самом деле это довольно сложно. Эти плитки установлены на очень гибкой конструкции, которую можно сложить, чтобы поместить в ракету-носитель. После развертывания структура расширяется, а плитки работают согласованно и синхронно, чтобы генерировать энергию, преобразовывать ее и передавать именно туда, где она вам нужна, и никуда больше.

Что вы можете рассказать нам о следующем этапе этого проекта?

Этуотер: Это не станет реальным, пока вы не отправитесь в космос. Как описали Серхио и Али, мы продемонстрировали этот ключевой элемент, называемый плиткой, в наших лабораториях. Один из уроков этой серии демонстраций заключался в том, что путь, которым мы должны были следовать для фотогальваники, должен был коренным образом измениться. Мы работали с тем, что я назову обычными фотогальваническими материалами, которые должны были быть разработаны в форме, которая затруднила бы достижение целей по массе на единицу площади и удельной мощности, поэтому нам пришлось в основном переосмыслить фотогальванику. стратегия полностью. В результате классы фотогальванических устройств, которые мы тестируем в космосе, на самом деле никогда раньше не летали в космос.

Пеллегрино: Большинство современных космических аппаратов имеют солнечные батареи — фотоэлектрические элементы, прикрепленные к несущей конструкции, — но не из такого типа материала и не сложенные до тех размеров, которых мы достигли. Используя новые методы складывания, вдохновленные оригами, мы можем значительно уменьшить размеры гигантского космического корабля для запуска. Упаковка настолько плотная, что практически не имеет пустот.

Хаджимири: Беспроводная передача энергии такого рода в космосе не демонстрировалась. Мы также демонстрируем это с нашим гибким, легким материалом, не обязательно с жесткой структурой. Это добавляет сложности.

Если и когда космическая солнечная энергия станет реальностью, какое влияние она может оказать на общество?

Хаджимири: Это произведет революцию в природе энергии и доступе к ней, так что она станет вездесущей, станет управляемой энергией. Вы можете отправить его туда, куда вам нужно. Это перенаправление энергии осуществляется без каких-либо механических движений, чисто электрическими средствами с использованием фокусирующей решетки, что делает его чрезвычайно быстрым.

Этуотер: Я думаю, можно сказать, что видение Бренов действительно заключалось в том, чтобы сделать что-то, что, как упомянул Али, изначально возникло почти из научной фантастики, сделать что-то, что станет крупномасштабным источником энергии для мира.

Пеллегрино: К нашей команде присоединились сотрудники JPL, и это сотрудничество стало для нас мощным и полезным, когда мы начали думать об этих космических демонстрациях. Дискуссия об энергии, которая неявно ограничивалась питанием Земли, на самом деле распространяется и на исследование космоса. Мы открываем новые главы в том, как JPL думает о будущих миссиях.

Говоря о сотрудничестве, работа в разных областях исследований была неотъемлемой частью успеха SSPP. Каково было так интенсивно работать вместе в ходе долгосрочного проекта?

Хаджимири: Студенты, постдоки, все мы очень тесно сотрудничали, и мы многое узнали о областях друг друга. Это приводит к чему-то большему, чем сумма его частей, как с точки зрения конечного результата проекта, так и с точки зрения обучения, которое получают студенты. Это обучение невероятно важно для будущего космических технологий, будь то беспроводная передача энергии , связь, космические конструкции или всевозможные другие приложения, о которых мы еще даже не думали.

Этуотер: В прошлой жизни я работал в области фотоэлектричества, но даже в самых смелых мечтах не мог представить, что буду заниматься космосом , пока не представилась такая возможность. И для меня это было окном в совершенно новый мир науки. Это было невероятно захватывающе.

Пеллегрино: Иногда кажется, что мы подталкиваем наших коллег к чему-то, что они явно считают невозможным, но позже оказывается, что это не невозможно. Это просто прекрасное чувство. Это другой вид исследования, когда вы делаете все возможное в своей области, но вы также используете взаимодействие с другими областями, коллективную систему, которая действительно принесет пользу обществу. Приносить пользу обществу — гораздо более сложная задача, чем делать хорошую работу в своей области. Это намного сложнее.

Технология, способная собирать солнечную энергию в космосе и передавать ее на Землю становится реальной



Новости партнеров