Снимка: Caltech
Космическата соларна програма на Калтех започва през 2011 г., когато филантропът Доналд Брен дарява повече от 100 милиона долара в подкрепа на проекта. С първата демонстрация на слънчева енергия, изпратена на Земята, неговата визия става реалност.
Космическата слънчева енергия се проучва от десетилетия, тъй като теоретично тя би могла да се ползва от практически неограничен запас от слънчева енергия в космическото пространство. Изследователите от Калтех изчисляват, че слънчевата енергия от космоса може да даде осем пъти повече енергия, отколкото слънчевите панели на което и да е място на повърхността на Земята, и през януари проектът на Калтех за космическа слънчева енергия (SSPD) изстреля в орбита прототип за изпращане на енергия към Земята.
В рамките на проекта SSPD е разположено съзвездие от модулни космически апарати, оборудвани с фотоволтаици, които събират слънчева светлина, преобразуват я в електричество и след това безжично предават електричеството на големи разстояния, където е необходимо. От Caltech заявиха, че технологията може да бъде полезна за отдалечени райони, в които няма поддържаща инфраструктура за пренос.
Безжичният пренос на енергия бе демонстриран от експеримента Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment (MAPLE), разработен в Калифорнийския технологичен институт. Това е една от трите ключови технологии, които се тестват от космическия демонстратор на слънчева енергия (SSPD-1), първият космически прототип от SSPP на Калтех. MAPLE включва леки микровълнови предаватели на енергия, задвижвани от персонализирани електронни чипове, които са създадени с помощта на евтини силициеви технологии. Той използва масива от предаватели, за да излъчва енергия към желаните места.
"Чрез експериментите, които проведохме досега, получихме потвърждение, че MAPLE може успешно да предава енергия на приемници в космоса. Също така успяхме да програмираме масива да насочи енергията си към Земята, което открихме тук, в Калтех. Разбира се, тествахме го на Земята, но сега знаем, че той може да оцелее при пътуването до космоса и да работи там.", казва Али Хаджимири, професор по електротехника и медицинско инженерство в университета "Брен" и съдиректор на SSPP.
Излъчването на слънчева енергия от космоса се изучава от групи по целия свят от десетилетия. Както всяка футуристична технология, и тази има своите противници. В този случай някои се притесняват, че високоенергийният лъч ще изпържи всичко по пътя си или ще причини разрушения, когато не успее да уцели целта си.
В проекта на Калтех има масив от приемо-предаватели, който излъчва енергията, и два отделни масива от приемници, които я приемат.
Сигналът се появява в очакваното време и честота и е засечен от приемника, разположен на покрива на Инженерната лаборатория "Гордън и Бети Мур" в кампуса на Калтек в Пасадена. Сигналът имал и правилно изместване на честотата, както било предвидено въз основа на пътуването му от орбита. За да е сигурно, че енергията достига до предназначението си, масивът на предавателя използва прецизни елементи за контрол на времето, за да фокусира динамично енергията на желаното място, използвайки кохерентно добавяне на електромагнитни вълни.
След като приемните масиви получат енергията, те я преобразуват в постоянен ток (DC) и я използват за осветяване на двойка светодиоди, за да демонстрират пълната последователност на безжичното предаване на енергия на разстояние в пространството. MAPLE тества това в космоса, като успешно запалва всеки светодиод поотделно и превключва напред-назад между тях.
"Доколкото ни е известно, никой досега не е демонстрирал безжичен пренос на енергия в космоса дори със скъпи твърди структури. Ние го правим с гъвкави леки структури и със собствени интегрални схеми. Това е първото постижение", казва Хаджимири.
Следващите стъпки на екипа са да оцени работата на отделните елементи в системата, като оцени моделите на смущения на по-малки групи и измери разликата между различните комбинации. Изследователите казват, че процесът, чието пълно завършване може да отнеме до шест месеца, ще позволи на екипа да подреди нередностите и да ги проследи до отделните единици, предоставяйки информация за следващото поколение на системата.
"Гъвкавите масиви за пренос на енергия са от съществено значение за сегашния дизайн на визията на Caltech за съзвездие от подобни на платна слънчеви панели, които се разгръщат, след като достигнат орбита", казва Серджо Пелегрино, професор по аерокосмическо и гражданско инженерство на ,,Джойс и Кент Креза" и съдиректор на SSPP.
Според Хари Атуотър, един от главните изследователи на проекта, екипът на SSPP трябва също така да разработи системи за слънчева енергия, които са леки и гъвкави. Отделните единици на SSPP ще се сгъват в пакети с обем около 1 кубичен метър, а след това ще се разгъват в плоски квадрати с дължина около 50 метра на страна, като слънчевите клетки от едната страна ще са обърнати към Слънцето, а безжичните предаватели на енергия - към Земята.
"Надяваме се, че по същия начин, по който интернет демократизира достъпа до информация, безжичният пренос на енергия ще демократизира достъпа до енергия. Няма да е необходима инфраструктура за пренос на енергия на земята, за да се получи тази енергия. Това означава, че можем да изпращаме енергия до отдалечени региони и райони, опустошени от война или природно бедствие.", казва Хаджимири.
В допълнение към подкрепата, получена от Бренс, Northrop Grumman Corporation също предоставя на Caltech 12,5 млн. долара за три години чрез спонсорирано споразумение за научни изследвания между 2014 и 2017 г., което подпомага разработването на технологии и развитието на науката за проекта.