Передача электричества в космосе — одна из самых интересных областей исследований, которая может изменить то, как и зачем мы используем космическое пространство. Применение этой технологии может иметь два направления: передача электроэнергии между объектами в космосе или от объекта в космосе на станцию на Земле.
Недавно Калифорнийский технологический институт (Caltech) сообщил о первых успехах эксперимента MAPLE, работающего в космосе и демонстрирующего оба вышеупомянутых применения. На борту маленького устройства, установленного на спутнике Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1), электрическая энергия успешно передана примерно на 30 см космической среды и использована для включения светодиодов.
После этого устройство проверили, отправив его на Землю. С крыши здания Калтеха был получен сигнал, что показывает возможность передачи микроволнового сигнала. Правда, сигнал оказался слабым и не мог быть переведен обратно в электрическую энергию.
Передача электроэнергии в космосе
Чтобы передать энергию в космос, нужно накопить ее и установить передатчик. Передатчик преобразует энергию в электромагнитные волны, например, микроволны в случае эксперимента MAPLE. Эти волны несут энергию и мощность (энергию в единицу времени), которые приемник может «принять» и преобразовать в электрический ток. Концепция подобна тому, как солнечная батарея преобразует электромагнитные волны Солнца в электричество.
В технологии передачи электроэнергии важное значение имеет свойство волн, называемое интерференцией. Когда две волны от разных источников встречаются, могут произойти сложение или аннулирование этих волн, а также все промежуточные варианты между этими двумя крайностями.
Точный контроль над источником позволяет создать очень точную зону когерентного усиления волн, в то время как в другом пространстве они взаимно погашаются. В результате получается (более или менее узкий) луч, где сосредоточена большая часть мощности и энергии волн источника, как показано на рисунке выше.
Это формирует узкий пучок волн с электрической энергией. Управление направлением и силой этого пучка возможно путем изменения свойств источников энергии без физического перемещения деталей.
Эксперимент SSPD-1 в Калтехе
Эксперимент SSPD-1 входит в программу Space Solar Power Project (SSPP), которую курируют профессора Али Хаджимири и Серджио Пеллегрино из Калифорнийского технологического института. В состав SSPD-1 входят три эксперимента, размещённые на спутнике Momentus Space Vigoride 5, запущенном 3 января в рамках миссии SpaceX Transporter 6. Названия этих первых демонстраторов — Alba, DOLCE и MAPLE.
Alba представляет собой комплекс из тридцати двух разноплановых солнечных батарей, созданных с применением разных технологий. По сути, это испытательная платформа для солнечных панелей. В её состав входят элементы из перовскита – минерала, состоящего из титаната кальция, а также элементы из диффузионных III-V переходов и кремния. Прогнозируется получение результатов эксперимента в ближайшие месяцы.
DOLCE демонстрирует новую технологию выдвижных механизмов и манипуляторов. Эти разработки пригодны для поддержки новых солнечных батарей в космосе, которые смогут открываться и выдвигаться, опираясь на эти механизмы с физической точки зрения. В центре эксперимента находится выдвижной манипулятор с камерами на вершине, снимающими весь процесс выдвижения в рамках эксперимента DOLCE. Результаты испытания ожидаются в ближайшие месяцы.
MAPLE
В статье будет рассмотрена концепция эксперимента MAPLE, где впервые удалось передать электрическую энергию. Эксперимент включает «коробку» размером со спутник 6U и весом около 2,6 кг. На одной из длинных сторон внутри установлены 32 антенны для передачи микроволн на частоте 9,884 ГГц. Там же расположена камера.
На расстоянии примерно 30 сантиметров от основного блока располагается приемная антенна с небольшим сапфировым окном. Часть микроволн, проходящая через окно, предназначена для приема эксперимента на Земле. С двух длинных сторон находятся еще одна приемная антенна и камера.
Результаты
Эксперимент завершился успешно внутри камеры MAPLE. Светодиоды активировались по команде с помощью электричества, вырабатываемого приемным устройством. Хотя передача сигнала проходила всего на 30 сантиметров, эксперимент осуществлялся в центре космоса и ранее не проводился в таких условиях.
Эксперимент, включая успешную передачу волны на Землю, представляет собой первый шаг программы SSPP Калтеха по созданию группировки орбитальных спутников для передачи электроэнергии как между объектами в космосе, так и на Землю.
В 2011 году программу SSPP запустили благодаря частному вкладу предпринимателя Дональда Брена, члена попечительского совета Калтеха. Изначально финансирование составило 100 миллионов долларов, ещё 12,5 миллиона предоставила корпорация Northrop Grumman.