Передача энергии по воздуху: как микроволны могли бы заряжать дроны и самолеты на лету

В будущем дроны и даже самолеты могут заряжаться прямо во время полета при помощи микроволн, ведь этот тип электромагнитного излучения может беспрепятственно проходить сквозь облака, а приемники летательных аппаратов способны полностью его поглощать. О плюсах и минусах такой технологии зарядки пишет IEEE Spectrum.

Что такое фазированная решетка и как она работает

Чтобы обеспечить питание движущегося самолета, микроволновое излучение должно быть направлено в узком, управляемом луче. Это можно сделать с помощью технологии, известной как фазированная решетка, которая обычно используется для направления лучей радара. При наличии достаточного количества элементов, распределенных и работающих вместе, фазированные решетки также можно настроить для фокусировки мощности в точке на определенном расстоянии, например, в приемной антенне на плоскости.

Фазированные решетки работают по принципу конструктивной и деструктивной интерференции. Излучение элементов антенны, естественно, будет перекрываться. В некоторых направлениях излучаемые волны будут нейтрализовать друг друга, а в других направлениях волны будут идеально совпадать по фазе, конструктивно складываясь. Там, где волны конструктивно перекрываются, энергия излучается в этом направлении, создавая луч, которым можно управлять с помощью электроники.

То, насколько далеко можно направить энергию в узком луче с фазированной решеткой, рассчитывается по формуле: D1 D2 > λ R. В этом математическом неравенстве D1 и D2 — диаметры передающей и приемной антенн, λ — длина волны излучения, а R — расстояние между этими антеннами. Подставив приблизительные значения, получаем: при площади лайнера 1000 кв м приемная антенна будет иметь ширину 30 м (D2), наземные антенны установлены каждые 200 км вдоль траектории полета, R составит 100 км, длина волны микроволнового излучения (λ) равна 5 см, диаметр наземных антенн (D1) должен составлять не менее 170 м.

Что такое ректенна и чем она поможет

Самолету Boeing 737 при взлете требуется около 30 мВт — в тысячу раз больше мощности, чем продемонстрировал любой эксперимент по излучению энергии. Достичь этого уровня, сохраняя при этом самолеты аэродинамичными и пригодными для полета будет непросто.

Самолету понадобится особая антенна, принимающая и преобразующая микроволны в электрический ток для питания. Эту выпрямляющую антенну, или ректенну, необходимо будет установить на нижней части фюзеляжа поверхности с учетом аэродинамики. Передача энергии будет максимальной, когда самолет находится прямо над наземной станцией, но в остальное время она будет гораздо более ограниченной, когда наземные станции находятся далеко впереди или позади лайнера. Под такими углами луч активирует только переднюю или заднюю поверхность самолета, что особенно затрудняет получение достаточной мощности.

При мощности взлета 30 МВт, ректенне пришлось бы "втиснуть" около 25 Вт на каждый квадратный сантиметр. Поскольку твердотельные элементы массива будут расположены на расстоянии примерно половины длины волны (или 2,5 см) друг от друга, это соответствует примерно 150 Вт на элемент, что приближает к максимальной плотности мощности любого твердотельного устройства преобразования энергии.

Ректенна также должна будет весить очень мало и сводить к минимуму помехи воздушного потока над самолетом. Нарушение геометрии ректенны по аэродинамическим причинам может снизить ее эффективность. Современный КПД передачи энергии составляет всего около 30%, поэтому ректенна не может позволить себе слишком много компромиссов.

И все это оборудование должно будет работать в электрическом поле напряжением около 7000 вольт на метр. В таком случае окна самолета, движимого лучевой электроэнергией, следует затянуть такой же сеткой, что и дверцы микроволновых печей, чтобы сохранить эти раскаленные поля за пределами салона и не спечь внутри экипаж и пассажиров. Но вот у птиц, находящихся снаружи, никакой защиты не будет.

Передача энергии в реальном мире

На практике инженерам уже удавалось передать энергию по воздуху, однако авиалайнер получил лишь часть необходимой мощности и на гораздо более коротком расстоянии.

НАСА в 1975 году поставило эксперимент: мощность 30 кВт передавалась на расстояние 1,5 км с помощью тарелки размером с дом. Чтобы добиться этого, команда использовала аналоговое устройство под названием клистрон. Геометрия клистрона заставляла электроны колебаться таким образом, чтобы усиливать микроволны определенной частоты.

Клистроны и их "родственники" магнетроны с резонатором (которые встречаются в обычных микроволновых печах), весьма эффективны из-за своей простоты. Но их свойства зависят от их точной геометрии, поэтому сложно скоординировать работу многих таких устройств, чтобы сфокусировать энергию в плотный луч.

В последние годы достижения в области полупроводниковых технологий позволили одному генератору управлять большим количеством твердотельных усилителей с почти идеальной фазовой координацией. Это дало возможность фокусировать микроволны гораздо точнее, чем раньше, обеспечивая более точную передачу энергии на большие расстояния.

В 2021 году Исследовательская лаборатория ВМС США показала, что эти методы могут обрабатывать более высокие уровни мощности, когда они пересылают мощность более киловатта между двумя наземными антеннами, находящимися на расстоянии более километра друг от друга. Другие исследователи активировали дроны в воздухе, а в ходе иного эксперимента фазированные решетки использовали для передачи солнечной энергии со спутников на Землю. В 2022 году стартап Emrod из Окленда показал, насколько многообещающим может быть подход на основе полупроводников. Внутри огромного ангара в Германии, принадлежащего Airbus, исследователи излучали мощность 550 Вт на расстояние 36 м и удерживали более 95% энергии в узком луче.