Передача енергії повітрям: як мікрохвилі могли б заряджати дрони і літаки на льоту

У майбутньому дрони і навіть літаки можуть заряджатися прямо під час польоту за допомогою мікрохвиль, адже цей тип електромагнітного випромінювання може безперешкодно проходити крізь хмари, а приймачі літальних апаратів здатні повністю його поглинати. Про плюси і мінуси такої технології зарядки пише IEEE Spectrum.

Що таке фазована решітка і як вона працює

Щоб забезпечити живлення літака, що рухається, мікрохвильове випромінювання має бути спрямоване у вузькому, керованому промені. Це можна зробити за допомогою технології, відомої як фазована решітка, яка зазвичай використовується для направлення променів радара. За наявності достатньої кількості елементів, розподілених і працюючих разом, фазовані решітки також можна налаштувати для фокусування потужності в точці на певній відстані, наприклад, у приймальній антені на площині.

Фазовані решітки працюють за принципом конструктивної та деструктивної інтерференції. Випромінювання елементів антени, природно, буде перекриватися. У деяких напрямках випромінювані хвилі нейтралізуватимуть одна одну, а в інших напрямках хвилі будуть ідеально збігатися за фазою, конструктивно складаючись. Там, де хвилі конструктивно перекриваються, енергія випромінюється в цьому напрямку, створюючи промінь, яким можна керувати за допомогою електроніки.

Те, наскільки далеко можна спрямувати енергію у вузькому промені з фазованою решіткою, розраховується за формулою: D1 D2 > λ R. У цій математичній нерівності D1 і D2 — діаметри передавальної та приймальної антен, λ — довжина хвилі випромінювання, а R — відстань між цими антенами. Підставивши приблизні значення, отримуємо: за площі лайнера 1000 кв. м приймальна антена матиме ширину 30 м (D2), наземні антени встановлені кожні 200 км уздовж траєкторії польоту, R становитиме 100 км, довжина хвилі мікрохвильового випромінювання (λ) дорівнюватиме 5 см, діаметр наземних антен (D1) має становити щонайменше 170 м.

Що таке ректенна і чим вона допоможе

Літаку Boeing 737 під час зльоту потрібно близько 30 мВт — у тисячу разів більше потужності, ніж продемонстрував будь-який експеримент з випромінювання енергії. Досягти цього рівня, зберігаючи при цьому літаки аеродинамічними і придатними для польоту, буде непросто.

Літаку знадобиться особлива антена, що приймає і перетворює мікрохвилі в електричний струм для живлення. Цю випрямляючу антену, або ректенну, необхідно буде встановити на нижній частині фюзеляжу поверхні з урахуванням аеродинаміки. Передача енергії буде максимальною, коли літак перебуває прямо над наземною станцією, але решту часу вона буде набагато обмеженішою, коли наземні станції розташовані далеко попереду або позаду лайнера. Під такими кутами промінь активує тільки передню або задню поверхню літака, що особливо ускладнює отримання достатньої потужності.

За потужності зльоту 30 МВт, ректенні довелося б "втиснути" близько 25 Вт на кожен квадратний сантиметр. Оскільки твердотільні елементи масиву будуть розташовані на відстані приблизно половини довжини хвилі (або 2,5 см) один від одного, це відповідає приблизно 150 Вт на елемент, що наближає до максимальної щільності потужності будь-якого твердотільного пристрою перетворення енергії.

Ректенна також повинна буде важити дуже мало і зводити до мінімуму перешкоди повітряного потоку над літаком. Порушення геометрії ректенни з аеродинамічних причин може знизити її ефективність. Сучасний ККД передачі енергії становить лише близько 30%, тому ректенна не може дозволити собі занадто багато компромісів.

І все це обладнання повинно буде працювати в електричному полі напругою близько 7000 вольт на метр. У такому разі вікна літака, рухомого променевою електроенергією, слід затягнути такою самою сіткою, як і дверцята мікрохвильових печей, щоб зберегти ці розпечені поля за межами салону і не спекти всередині екіпаж і пасажирів. Але ось у птахів, які перебувають зовні, ніякого захисту не буде.

Передача енергії в реальному світі

На практиці інженерам уже вдавалося передати енергію повітрям, однак авіалайнер отримав лише частину необхідної потужності і на набагато коротшій відстані.

НАСА 1975 року поставило експеримент: потужність 30 кВт передавали на відстань 1,5 км за допомогою тарілки розміром із будинок. Щоб домогтися цього, команда використовувала аналоговий пристрій під назвою клістрон. Геометрія клістрона змушувала електрони коливатися таким чином, щоб посилювати мікрохвилі певної частоти.

Клістрони та їхні "родичі" магнетрони з резонатором (які трапляються у звичайних мікрохвильових печах), вельми ефективні через свою простоту. Але їхні властивості залежать від їхньої точної геометрії, тому складно скоординувати роботу багатьох таких пристроїв, щоб сфокусувати енергію в щільний промінь.

Останніми роками досягнення в галузі напівпровідникових технологій дали змогу одному генератору керувати великою кількістю твердотільних підсилювачів із майже ідеальною фазовою координацією. Це дало можливість фокусувати мікрохвилі набагато точніше, ніж раніше, забезпечуючи більш точну передачу енергії на великі відстані.

У 2021 році Дослідницька лабораторія ВМС США показала, що ці методи можуть обробляти більш високі рівні потужності, коли вони пересилають потужність понад кіловат між двома наземними антенами, розташованими на відстані понад кілометр одна від одної. Інші дослідники активували дрони в повітрі, а під час іншого експерименту фазовані решітки використовували для передавання сонячної енергії із супутників на Землю. У 2022 році стартап Emrod з Окленда показав, наскільки багатообіцяючим може бути підхід на основі напівпровідників. Усередині величезного ангара в Німеччині, що належить Airbus, дослідники випромінювали потужність 550 Вт на відстань 36 м і утримували понад 95% енергії у вузькому промені.

Раніше ми писали про те, що бездротова зарядка для військових BATLCHRG живить відразу кілька гаджетів на полі бою. Пристрій не боїться води, бруду і пилу, а також здатен передавати енергію техніці в умовах тряски.