Луч жизни
Передача энергии лазером.
К «лучам смерти» мы привыкли с детства, задолго до появления лазеров, еще с «Войны миров» и «Гиперболоида инженера Гарина». Военные мечтают поставить боевые лазеры на вооружение, чтобы уничтожать ракеты, дроны и спутники противника. Но они могут нести не смерть, а еще немного жизни – энергию.
«Беспилотники стали очень популярной темой. Для чего их только не пытаются использовать – они и пиццу развозят, и поле боя разведывают... При этом все вынуждены преодолевать главное препятствие – слишком краткое время полета. Мультикоптеры остаются в воздухе по 10–20 минут, на самых современных аккумуляторах – 25–30. Этого часто не хватает», – говорит инженер из РКК «Энергия» Виталий Капранов.
В самом деле, многим аппаратам требуется оставаться в воздухе часами, ведя мониторинг газопроводов или состояния железных дорог, аэрофотосъемку районов бедствий, охрану территорий, ретрансляцию радиосигнала. Для таких задач можно использовать беспилотники «самолетного типа» с двигателями внутреннего сгорания, но они не слишком маневренны и неспособны зависать в одной точке. Во многих случаях электрические квадрокоптеры удобнее, и их пользователи идут на разные ухищрения, чтобы продлить срок работы: возят дополнительные аккумуляторы или даже запасные дроны, чтобы быстро проводить замену, пока отработавший свое время аппарат остается на подзарядке.
Отдельные модели беспилотников работают «на привязи», получая электроэнергию с земли. Однако провода тяжелые, их сдувает ветром вместе с самим беспилотником, и предел высоты для таких аппаратов редко превышает 200 м, высота 1 км уже недостижима. Предпринимаются попытки питать беспилотники по оптоволокну, отправляя наверх импульсы инфракрасного лазера. Оно вдесятеро легче металлического провода – но, увы, не предназначено для передачи больших мощностей и легко перегревается, что сильно усложняет дело.
Энергетическая «привязь» беспилотников неизбежна – но она может стать совсем невесомой и почти бесконечной, питая аппараты напрямую, чистым лазерным лучом. Такой проект разрабатывают Виталий Капранов, Иван Мацак и группа молодых инженеров из Комитета инновационных проектов (КИПМ) РКК «Энергия». «Наша технология может обеспечить круглосуточную работу беспилотников без необходимости подзарядки», – говорит Иван.
В отрыв
Вплоть до недавнего времени передача энергии с помощью лазеров не имела большого смысла: их КПД составлял всего 10–20%. С учетом потерь на передачу и преобразование световой энергии в электричество получателя достигало в лучшем случае нескольких процентов исходной мощности. Только в 2000-х годах ситуация начала меняться: появились инфракрасные лазеры с КПД до 40–50% и высокоэффективные фотоэлектрические модули на основе арсенида галлия, способные преобразовывать в электричество до 40%, а иногда – и до 70% энергии излучения.
Это породило большую моду на создание автономных беспилотников, способных полностью обеспечивать собственные энергетические нужды от бортовых панелей солнечных батарей. Однако Солнце излучает в широком диапазоне волн, и панели приходится делать «универсальными», способными улавливать фотоны разной энергии. Лазерный луч позволяет работать намного ювелирнее: он имеет строго определенную частоту и позволяет заранее подобрать материал фотоэлемента так, чтобы фотоны именно этой длины волны выбивали из него максимальное количество электронов. Это повышает эффективность энергосистемы, снижает ее размеры и вес.