Ученые из Университета Ханьян в Сеуле представили разработку, способную воплотить в жизнь один из самых амбициозных инженерных проектов человечества – космические солнечные электростанции. Расположенные на геосинхронной орбите на высоте около 36 000 км, такие электростанции могли бы круглосуточно улавливать солнечную энергию и передавать ее на Землю с помощью микроволн, избегая потерь в атмосфере.
Автором идеи является американский инженер Питер Глейзер. Ещё в 1968 году он предложил улавливать солнечный свет в открытом космосе и передавать его на Землю с помощью микроволнового излучения. Принцип прост: на орбите размещается гигантская солнечная панель, которая преобразует свет в электричество. Это электричество питает микроволновый передатчик, который посылает луч на Землю, к приёмной антенне – ректенне. Она принимает сигнал, преобразует его обратно в ток и подаёт в сеть.
Однако на протяжении многих десятилетий практическая реализация этой идеи была затруднена естественными технологическими ограничениями. Даже сегодня подсистема беспроводной передачи данных остаётся самым дорогим и сложным элементом всей конструкции. Например, согласно проекту Китайской академии космических технологий (CAST), для одной электростанции мощностью 1 ГВт требуется около 128 тысяч микроволновых генераторов — магнетронов мощностью 12,5 кВт каждый, и коэффициент полезного действия каждого из них составляет всего 54%. Стоимость только этой части установки составляет почти 9,2 млрд долларов США, а её масса превышает четыре тысячи тонн.
Основной причиной таких высоких затрат были конструктивные ограничения традиционных магнетронов с термоэмиссионными катодами. В таких магнетронах электроны выбиваются с поверхности катода за счёт нагрева, что требует сложных систем нагрева и подачи питания. Со временем катод теряет свои свойства, его поверхность загрязняется и разрушается – этот процесс известен как «отравление катода». Это приводит к снижению мощности и срока службы, поэтому генератор приходится заменять задолго до того, как исчерпывается ресурс оставшейся системы.
Корейские исследователи предложили заменить такие катоды полевыми эмиттерами – «холодными катодами», в которых электроны высвобождаются не под воздействием высокой температуры, а под влиянием сильного электрического поля. Этот эффект называется автоэлектронной эмиссией (холодной эмиссией в поле). Отказ от нагрева делает систему более простой, надёжной и значительно более лёгкой, что особенно важно в ситуации, когда каждый килограмм на орбите стоит тысячи долларов.
Кроме того, инженеры переработали саму архитектуру системы. Они сделали форму пустот резонатора асимметричной, применив так называемую схему «восходящего солнца». В этой конфигурации одна часть пустот немного шире другой, и из-за этого электрические колебания в резонаторе распределяются неравномерно. Это помогает естественным образом разделить частоты колебаний и поддерживать стабильный режим генерации, устраняя паразитные колебания, для которых раньше требовалась установка дополнительных стабилизирующих элементов.
Новая конструкция подтвердила свою эффективность в ходе серии цифровых экспериментов с использованием методов компьютерной электродинамики и моделирования электронных потоков. При напряжении 23,5 кВ и магнитном поле 0,3 тесла новый магнетрон продемонстрировал коэффициент полезного действия 85 % и выходную мощность более 100 кВт на частоте 2,45 ГГц. Для сравнения: коммерческие аналоги при тех же условиях обычно выдают мощность всего 10–15 кВт и имеют коэффициент полезного действия 60 %. Таким образом, новая система оказалась примерно в восемь раз мощнее и на 25 % эффективнее существующих аналогов при тех же размерах и режиме работы.
Согласно расчётам исследователей, использование новых источников позволит снизить массу и стоимость подсистемы беспроводной передачи данных примерно на треть. В масштабах всего проекта это означает снижение общей стоимости орбитальной станции на 30 % – с 28 до 19,6 млрд долларов США.
Однако преимущества не ограничиваются космосом. Технологии мощной беспроводной передачи энергии открывают новые возможности и на Земле – от дистанционной зарядки электромобилей до питания удалённых объектов инфраструктуры.
Источник: Ассоциация «Глобальная энергия»