Беспроводное будущее и беспощадная физика
В МИРЕ / #7_2021
Текст: Татьяна ДАНИЛОВА / Иллюстрация: Влад СУРОВЕГИН / Фото: Emrod.energy
Интерес к беспроводной передаче электроэнергии растет уже полвека. В связи со взрывным ростом числа гаджетов, прозелитизмом «церкви возобновляемой энергетики» и планируемым всепланетным энергетическим переходом этот интерес имеет шансы запустить бум космической энергетики.
В 1891 году Никола Тесла разработал так называемую катушку Теслы (Tesla coil) — резонансный трансформатор, передающий электроэнергию на короткие расстояния без проводов. В основе этого устройства лежит физическое явление электростатической индукции, когда ток генерируется градиентом электрического поля или дифференциальной емкостью между двумя или более изолированными клеммами, пластинами, электродами. В лабораторном масштабе такие катушки может изготовить кто угодно.
Беспроводную сеть предполагалось строить как систему оборудованных резонансными приемопередатчиками башен или подвешенных воздушных шаров.
Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами, в 1894 году зажигал без проводов лабораторные лампы накаливания, а в 1901-м построил так называемую башню Ворденклиф — проект для демонстрации возможностей трансатлантической телефонии, радиовещания, беспроводной передачи высоковольтной электроэнергии.
Проект башни поддержал инвестициями финансист Джон Пирпонт Морган, вложивший $ 150 тыс. в лабораторию (более $ 3 млн в ценах 2009 года). Считается, что акционер первой в мире Ниагарской ГЭС и медных заводов оценил проект на старте, но отказался от дальнейшего финансирования, якобы не желая обрушения многообещающего рынка электроэнергии. В 1906 году проект был закрыт, а десятилетием позднее башню снесли. Всемирная беспроводная система Теслы — система, совмещающая передачу энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которая позволила бы объединить генерирующие мощности в глобальном масштабе, — не состоялась.
Однако 100 лет исследований и экспериментов показывают, что мечта Теслы жива. Не исключено, что гениальный изобретатель был на верном пути. Эксперименты продолжаются! Десятки компаний, от американской Wave Inc. до японской Space Power Technologies и новозеландского энергетического стартапа Emrod (имя же им легион), а также государственные организации разрабатывают различные методы беспроводной передачи энергии и выдвигают предложения по их внедрению в коммерческом масштабе. Некоторые системы уже проходят полевые испытания. Будет интересно посмотреть, кто окажется первым в этой гонке и предложит эффективное, экономичное и жизнеспособное решение для беспроводного электроснабжения.
Более того, некоторые способы беспроводной передачи электроэнергии давно вошли в повседневный быт. Пример — известный всем из школьной физики метод электромагнитной индукции. Он применяется в индукционной электроплите, нагревающей железосодержащую посуду индуцированными вихревыми токами, которые создает магнитное поле частотой 20−100 кГц. На основе принципа электромагнитной индукции выпускается множество беспроводных зарядных устройств для гаджетов. Резонансный способ передачи знаком всем, кто пользуется бесконтактными смарт-картами или имел дело с чипами RFID. Все эти технологии едины в том, что расстояние между «передатчиком» и «приемником» очень мало, да и передаваемая мощность невелика.
Не все знают, что электромобили заряжать дорого и долго, а зарядных станций с «быстрой зарядкой» мало. Американская компания Wave тестирует технологию зарядных систем, обеспечивающих беспроводную мощность до 1 МВт, — они устанавливаются под дорогами и на парковках. Проект американского университета Пурдью (штат Индиана) и немецкой компании Magment предлагает другой вариант беспроводной зарядки: дороги из намагниченного бетона смогут заряжать электромобили во время движения.
Сегодня ни один рассказ о технических диковинах не обходится без «японской беспроводной комнаты». Идея состоит в следующем: разнонаправленные широко распределенные токи на проводящих поверхностях, расположенных вокруг целевого объема — испытательной комнаты размером 3x3x2 метра, — генерируют несколько взаимно уникальных трехмерных магнитных полей, безопасных для людей. Эти поля охватывают всю комнату, включая углы. Такая «зарядная комната» подает в любую свою точку не менее 50 ватт мощности, которых достаточно для питания ламп, смартфонов и других устройств. Утверждается, что «беспроводную комнату» можно масштабировать, увеличив, например, до размеров больничной палаты или даже промышленного цеха. Описанная система беспроводной передачи энергии не создает помех работе электроники и не нагревает биологические ткани.
Одно время большие надежды возлагали на передачу энергии посредством направленного микроволнового излучения. Эксперименты по преобразованию такого излучения в электроэнергию постоянного тока с помощью микроволнового приемника и выпрямителя ведутся давно. Опыты японских исследователей 1970-х годов показали максимальный КПД 84%, но выходная мощность была, видимо, довольно низкой. Недавнее сообщение из Китая гласит, что электроэнергию неведомой мощности передали с помощью микроволн на целых 10 метров и что подобная система теоретически позволяет передать 1 кВт на расстояние до 20 метров с КПД 25,5%. Шесть лет назад Японское агентство аэрокосмических исследований объявило об успешной передаче по беспроводной сети 1,8 кВт энергии на расстояние 50 метров в небольшой приемник, преобразовывая электричество в микроволны, а затем микроволны — обратно в электричество.
Уже упомянутая Emrod анонсировала на осень 2021 года демонстрацию коммерческой системы беспроводной передачи нескольких киловатт электроэнергии на расстояние в несколько километров. Компания собиралась показать свою разработку прошлой осенью, но намечавшемуся триумфу что-то помешало. Зато Emrod с радостью демонстрирует рабочий прототип устройства, состоящего из передающей антенны, серии реле и приемной выпрямляющей антенны (ректенны). Потеря энергии при передаче на прототипе составляет 30%, а эффективность принимающей антенны из радиопоглощающих метаматериалов стремится к 100%.
Сотни таких сообщений появляются в прессе чуть ли не еженедельно. За век, прошедший со времени эксперимента Теслы, разработано несколько методов беспроводной передачи энергии, возникли десятки стартапов, но бессердечная физика пока позволяет лишь проводить демонстрационные эксперименты, пригодные разве что для краудфандингового видео. Чаще всего эти эксперименты похожи на попытку наладить городское водоснабжение разбрызгиванием воды под давлением. Однако исследования не прекращаются: они ведутся повсюду, от «гаражных» лабораторий до государственных и корпоративных исследовательских центров, так как неудачи — а их было немало — не убили веру в возможность прорыва, который изменит мир радикальнее, чем когда-то изменил его переменный ток.
Беспроводную сеть предполагалось строить как систему оборудованных резонансными приемопередатчиками башен или подвешенных воздушных шаров.
Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами, в 1894 году зажигал без проводов лабораторные лампы накаливания, а в 1901-м построил так называемую башню Ворденклиф — проект для демонстрации возможностей трансатлантической телефонии, радиовещания, беспроводной передачи высоковольтной электроэнергии.
Проект башни поддержал инвестициями финансист Джон Пирпонт Морган, вложивший $ 150 тыс. в лабораторию (более $ 3 млн в ценах 2009 года). Считается, что акционер первой в мире Ниагарской ГЭС и медных заводов оценил проект на старте, но отказался от дальнейшего финансирования, якобы не желая обрушения многообещающего рынка электроэнергии. В 1906 году проект был закрыт, а десятилетием позднее башню снесли. Всемирная беспроводная система Теслы — система, совмещающая передачу энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которая позволила бы объединить генерирующие мощности в глобальном масштабе, — не состоялась.
Однако 100 лет исследований и экспериментов показывают, что мечта Теслы жива. Не исключено, что гениальный изобретатель был на верном пути. Эксперименты продолжаются! Десятки компаний, от американской Wave Inc. до японской Space Power Technologies и новозеландского энергетического стартапа Emrod (имя же им легион), а также государственные организации разрабатывают различные методы беспроводной передачи энергии и выдвигают предложения по их внедрению в коммерческом масштабе. Некоторые системы уже проходят полевые испытания. Будет интересно посмотреть, кто окажется первым в этой гонке и предложит эффективное, экономичное и жизнеспособное решение для беспроводного электроснабжения.
Более того, некоторые способы беспроводной передачи электроэнергии давно вошли в повседневный быт. Пример — известный всем из школьной физики метод электромагнитной индукции. Он применяется в индукционной электроплите, нагревающей железосодержащую посуду индуцированными вихревыми токами, которые создает магнитное поле частотой 20−100 кГц. На основе принципа электромагнитной индукции выпускается множество беспроводных зарядных устройств для гаджетов. Резонансный способ передачи знаком всем, кто пользуется бесконтактными смарт-картами или имел дело с чипами RFID. Все эти технологии едины в том, что расстояние между «передатчиком» и «приемником» очень мало, да и передаваемая мощность невелика.
Не все знают, что электромобили заряжать дорого и долго, а зарядных станций с «быстрой зарядкой» мало. Американская компания Wave тестирует технологию зарядных систем, обеспечивающих беспроводную мощность до 1 МВт, — они устанавливаются под дорогами и на парковках. Проект американского университета Пурдью (штат Индиана) и немецкой компании Magment предлагает другой вариант беспроводной зарядки: дороги из намагниченного бетона смогут заряжать электромобили во время движения.
Сегодня ни один рассказ о технических диковинах не обходится без «японской беспроводной комнаты». Идея состоит в следующем: разнонаправленные широко распределенные токи на проводящих поверхностях, расположенных вокруг целевого объема — испытательной комнаты размером 3x3x2 метра, — генерируют несколько взаимно уникальных трехмерных магнитных полей, безопасных для людей. Эти поля охватывают всю комнату, включая углы. Такая «зарядная комната» подает в любую свою точку не менее 50 ватт мощности, которых достаточно для питания ламп, смартфонов и других устройств. Утверждается, что «беспроводную комнату» можно масштабировать, увеличив, например, до размеров больничной палаты или даже промышленного цеха. Описанная система беспроводной передачи энергии не создает помех работе электроники и не нагревает биологические ткани.
Одно время большие надежды возлагали на передачу энергии посредством направленного микроволнового излучения. Эксперименты по преобразованию такого излучения в электроэнергию постоянного тока с помощью микроволнового приемника и выпрямителя ведутся давно. Опыты японских исследователей 1970-х годов показали максимальный КПД 84%, но выходная мощность была, видимо, довольно низкой. Недавнее сообщение из Китая гласит, что электроэнергию неведомой мощности передали с помощью микроволн на целых 10 метров и что подобная система теоретически позволяет передать 1 кВт на расстояние до 20 метров с КПД 25,5%. Шесть лет назад Японское агентство аэрокосмических исследований объявило об успешной передаче по беспроводной сети 1,8 кВт энергии на расстояние 50 метров в небольшой приемник, преобразовывая электричество в микроволны, а затем микроволны — обратно в электричество.
Уже упомянутая Emrod анонсировала на осень 2021 года демонстрацию коммерческой системы беспроводной передачи нескольких киловатт электроэнергии на расстояние в несколько километров. Компания собиралась показать свою разработку прошлой осенью, но намечавшемуся триумфу что-то помешало. Зато Emrod с радостью демонстрирует рабочий прототип устройства, состоящего из передающей антенны, серии реле и приемной выпрямляющей антенны (ректенны). Потеря энергии при передаче на прототипе составляет 30%, а эффективность принимающей антенны из радиопоглощающих метаматериалов стремится к 100%.
Сотни таких сообщений появляются в прессе чуть ли не еженедельно. За век, прошедший со времени эксперимента Теслы, разработано несколько методов беспроводной передачи энергии, возникли десятки стартапов, но бессердечная физика пока позволяет лишь проводить демонстрационные эксперименты, пригодные разве что для краудфандингового видео. Чаще всего эти эксперименты похожи на попытку наладить городское водоснабжение разбрызгиванием воды под давлением. Однако исследования не прекращаются: они ведутся повсюду, от «гаражных» лабораторий до государственных и корпоративных исследовательских центров, так как неудачи — а их было немало — не убили веру в возможность прорыва, который изменит мир радикальнее, чем когда-то изменил его переменный ток.
Разработка новозеландского стартапа Emrod для беспроводной арктической станции
Идеи Теслы в космосе
Если не строить воздушных замков, можно скромно надеяться, что микроволновая беспроводная энергосеть сможет дополнить традиционную проводную там, где нельзя проложить электрокабель: в горах или, скажем, на космических автоматических станциях и спутниках. Однако история технологий говорит о том, что порой за воздушный замок принимают прорывную идею. Пример —исследование, опубликованное японским университетом Цукуба в августе 2021 года. Оно показывает, что высокоэнергетическое микроволновое излучение может стать эффективным источником беспроводной энергии для космических запусков. Топливо «крадет» до 90% подъемного веса ракеты, а если вместо него применить беспроводную микроволновую энергию, можно (теоретически) увеличить полезный груз.
Однако больше всех заинтересована в технологиях беспроводной передачи энергии одна из самых молодых отраслей — космическая энергетика. Космос, где Солнце находится в прямой видимости и его лучи не рассеивает и не ослабляет земная атмосфера, — идеальное место для сбора и использования солнечной энергии. Мир жаждет чистых возобновляемых источников энергии, и даруемая Солнцем энергия слишком хороша, чтобы упустить эту возможность.
В 1968 году американский инженер-исследователь Питер Глейзер представил идею больших спутниковых систем на высоте геостационарной орбиты для сбора и преобразования энергии Солнца в электромагнитный пучок СВЧ и передачи полезной энергии на большие антенны на Земле. (Строго говоря, идею энергетического спутника первым предложил в 1941 году фантаст Айзек Азимов в рассказе «Логика», в котором описывается космическая станция, передающая энергию Солнца на различные планеты с помощью микроволновых лучей.)
Идея П. Глейзера состоит в следующем. Предположим, что на высокой геостационарной орбите имеется сеть спутников, которые собирают свет Солнца при помощи солнечных батарей или иных устройств, преобразуют свет в энергию микроволнового сигнала или лазерного излучателя, а также питают передатчик или излучатель. Микроволновой сигнал или энергия лазера передаются на ректенну базовой станции на Земле — скорее всего, ее размеры будут огромны. Базовая станция преобразует микроволны в электричество постоянного тока, и так далее.
Концепция сбора солнечной энергии в космическом пространстве (SBSP) и ее передачи на Землю исследуется с начала 1970-х годов. Привлекательность SBSP в том, что солнечные энергосистемы космического базирования преобразуют солнечный свет в микроволны за пределами атмосферы, что позволяет избежать потерь из-за отражения и поглощения энергии.
Все это будет возможно, когда люди избавятся от помех в виде микрометеоритов, научатся поддерживать спутник в постоянном положении (сейчас оно меняется из-за воздействия на развернутые солнечные батареи давления солнечного света), решат проблемы эффективности фотоэлектрики и микрочипов при высоких и сверхнизких температурах, точности и безопасности направленного энергетического луча и еще несколько десятков проблем, одна сложнее другой.
В последние десятилетия, с падением стоимости солнечных батарей и доставки грузов на орбиту, идея снова обрела актуальность. За SBSP как крупномасштабную форму устойчивой «зеленой» энергии ухватилась климатическая инженерия. Современные технологии и инфраструктура космических запусков не позволяют создать даже опытную SBSP, но время идет, и, если появятся радикально новые технологии космических запусков, да еще орбитальные промышленные базы для производства энергетических спутников из астероидов, — то кто знает, может быть, идея воплотится в жизнь.
Исследования в области космической энергетики ведутся в Японии, Китае, России, Великобритании и США. В 2008 году Япония приняла Основной закон о космосе, который объявил космическую солнечную энергию национальной целью.
ЦНИИмаш (флагман исследовательских учреждений Роскосмоса) выступил с инициативой создания экспериментальных космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1−10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ‑излучения.
О еще одном проекте космической солнечной энергетики (Space-based Solar Power Project, SSPP) стало известно в августе. Калифорнийский технологический институт объявил, что Дональд Брен, член совета директоров университета и владелец инвестиционной компании Irvine Company, еще в 2013 году пожертвовал $ 100 млн на создание спутниковой беспроводной сети на базе микроволнового излучения, которая могла бы обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку Земли. О пожертвовании стало известно лишь теперь, восемь лет спустя: SSPP хочет представить публике вехи проекта. В начале 2023 года организация запустит демонстрационные прототипы, которые собирают и преобразуют солнечный свет в электрическую энергию и передают ее по беспроводной сети с использованием радиочастот. Прототип состоит из модельной сборки плоских сверхлегких элементов размером 6×6 футов, в которые интегрированы высокопроизводительная фотоэлектрическая система и масштабная система фазированных антенных решеток для передачи энергии. Интеграция солнечной энергии и радиочастотного преобразования в одном элементе позволяет снизить вес и сложность конструкции. Эта концепция обеспечивает масштабируемость и снижает влияние отказа локальных элементов на другие части системы.
Однако если «взлетит» один из этих проектов или даже все, они столкнутся с проблемой отведения тепла. По расчетам Европейского космического агентства, космическая энергия будет конкурентной по сравнению с ВИЭ, если спутниковая система сможет передавать на Землю энергию мощностью 150 ГВт и больше. Это от трети до половины среднего потребления электроэнергии в Европе. Будем оптимистами и представим, что КПД спутниковой энергосистемы равен 20%. Это значит, что передача к наземной станции 150 ГВт электроэнергии потребует от нас избавиться от 600 ГВт тепла в вакууме. Для этого понадобится теплоотвод. Так где же мы подвесим наши спутники? И не вскипятим ли случайно Тихий океан?
Что же получается? Для того чтобы космическая энергетика стала реальностью, чтобы энергию Солнца передавать на Землю без проводов, одной безумной идеи не хватит.
Нужно две, пять или десяток.
Если не строить воздушных замков, можно скромно надеяться, что микроволновая беспроводная энергосеть сможет дополнить традиционную проводную там, где нельзя проложить электрокабель: в горах или, скажем, на космических автоматических станциях и спутниках. Однако история технологий говорит о том, что порой за воздушный замок принимают прорывную идею. Пример —исследование, опубликованное японским университетом Цукуба в августе 2021 года. Оно показывает, что высокоэнергетическое микроволновое излучение может стать эффективным источником беспроводной энергии для космических запусков. Топливо «крадет» до 90% подъемного веса ракеты, а если вместо него применить беспроводную микроволновую энергию, можно (теоретически) увеличить полезный груз.
Однако больше всех заинтересована в технологиях беспроводной передачи энергии одна из самых молодых отраслей — космическая энергетика. Космос, где Солнце находится в прямой видимости и его лучи не рассеивает и не ослабляет земная атмосфера, — идеальное место для сбора и использования солнечной энергии. Мир жаждет чистых возобновляемых источников энергии, и даруемая Солнцем энергия слишком хороша, чтобы упустить эту возможность.
В 1968 году американский инженер-исследователь Питер Глейзер представил идею больших спутниковых систем на высоте геостационарной орбиты для сбора и преобразования энергии Солнца в электромагнитный пучок СВЧ и передачи полезной энергии на большие антенны на Земле. (Строго говоря, идею энергетического спутника первым предложил в 1941 году фантаст Айзек Азимов в рассказе «Логика», в котором описывается космическая станция, передающая энергию Солнца на различные планеты с помощью микроволновых лучей.)
Идея П. Глейзера состоит в следующем. Предположим, что на высокой геостационарной орбите имеется сеть спутников, которые собирают свет Солнца при помощи солнечных батарей или иных устройств, преобразуют свет в энергию микроволнового сигнала или лазерного излучателя, а также питают передатчик или излучатель. Микроволновой сигнал или энергия лазера передаются на ректенну базовой станции на Земле — скорее всего, ее размеры будут огромны. Базовая станция преобразует микроволны в электричество постоянного тока, и так далее.
Концепция сбора солнечной энергии в космическом пространстве (SBSP) и ее передачи на Землю исследуется с начала 1970-х годов. Привлекательность SBSP в том, что солнечные энергосистемы космического базирования преобразуют солнечный свет в микроволны за пределами атмосферы, что позволяет избежать потерь из-за отражения и поглощения энергии.
Все это будет возможно, когда люди избавятся от помех в виде микрометеоритов, научатся поддерживать спутник в постоянном положении (сейчас оно меняется из-за воздействия на развернутые солнечные батареи давления солнечного света), решат проблемы эффективности фотоэлектрики и микрочипов при высоких и сверхнизких температурах, точности и безопасности направленного энергетического луча и еще несколько десятков проблем, одна сложнее другой.
В последние десятилетия, с падением стоимости солнечных батарей и доставки грузов на орбиту, идея снова обрела актуальность. За SBSP как крупномасштабную форму устойчивой «зеленой» энергии ухватилась климатическая инженерия. Современные технологии и инфраструктура космических запусков не позволяют создать даже опытную SBSP, но время идет, и, если появятся радикально новые технологии космических запусков, да еще орбитальные промышленные базы для производства энергетических спутников из астероидов, — то кто знает, может быть, идея воплотится в жизнь.
Исследования в области космической энергетики ведутся в Японии, Китае, России, Великобритании и США. В 2008 году Япония приняла Основной закон о космосе, который объявил космическую солнечную энергию национальной целью.
ЦНИИмаш (флагман исследовательских учреждений Роскосмоса) выступил с инициативой создания экспериментальных космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1−10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ‑излучения.
О еще одном проекте космической солнечной энергетики (Space-based Solar Power Project, SSPP) стало известно в августе. Калифорнийский технологический институт объявил, что Дональд Брен, член совета директоров университета и владелец инвестиционной компании Irvine Company, еще в 2013 году пожертвовал $ 100 млн на создание спутниковой беспроводной сети на базе микроволнового излучения, которая могла бы обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку Земли. О пожертвовании стало известно лишь теперь, восемь лет спустя: SSPP хочет представить публике вехи проекта. В начале 2023 года организация запустит демонстрационные прототипы, которые собирают и преобразуют солнечный свет в электрическую энергию и передают ее по беспроводной сети с использованием радиочастот. Прототип состоит из модельной сборки плоских сверхлегких элементов размером 6×6 футов, в которые интегрированы высокопроизводительная фотоэлектрическая система и масштабная система фазированных антенных решеток для передачи энергии. Интеграция солнечной энергии и радиочастотного преобразования в одном элементе позволяет снизить вес и сложность конструкции. Эта концепция обеспечивает масштабируемость и снижает влияние отказа локальных элементов на другие части системы.
Однако если «взлетит» один из этих проектов или даже все, они столкнутся с проблемой отведения тепла. По расчетам Европейского космического агентства, космическая энергия будет конкурентной по сравнению с ВИЭ, если спутниковая система сможет передавать на Землю энергию мощностью 150 ГВт и больше. Это от трети до половины среднего потребления электроэнергии в Европе. Будем оптимистами и представим, что КПД спутниковой энергосистемы равен 20%. Это значит, что передача к наземной станции 150 ГВт электроэнергии потребует от нас избавиться от 600 ГВт тепла в вакууме. Для этого понадобится теплоотвод. Так где же мы подвесим наши спутники? И не вскипятим ли случайно Тихий океан?
Что же получается? Для того чтобы космическая энергетика стала реальностью, чтобы энергию Солнца передавать на Землю без проводов, одной безумной идеи не хватит.
Нужно две, пять или десяток.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #7_2021