Ученые из Университета Ханъян в Сеуле представили разработку, которая способна приблизить к реальности один из самых амбициозных инженерных проектов человечества – космические солнечные электростанции. Размещенные на геостационарной орбите на высоте около 36 тысяч км, такие станции могли бы круглосуточно собирать солнечную энергию и передавать ее на Землю с помощью микроволн, минуя атмосферные потери.
Сама идея принадлежит американскому инженеру Питеру Глейзеру, который в 1968 году предложил собирать солнечный свет в космосе и передавать его на Землю в виде микроволнового излучения. Принцип прост: на орбите располагается крупная солнечная панель, преобразующая свет в электричество. Это электричество питает микроволновый передатчик, направляющий луч на Землю, на приемную антенну – ректенну. Та принимает сигнал, преобразует его обратно в ток и подает в энергосеть.
Однако воплотить эту идею в жизнь долгие годы мешали естественные технологические ограничения. Подсистема беспроводной передачи и сегодня остается самым дорогим и сложным элементом всей конструкции. Например, по проекту Китайской академии космических технологий (CAST) для станции мощностью 1 ГВт требуется около 128 тысяч микроволновых генераторов – магнетронов мощностью 12,5 кВт каждый с КПД всего 54%. Только эта часть установки оценивается почти в 9,2 млрд долларов, а ее масса превышает четыре тысячи тонн.
Главная причина таких расходов заключалась в конструктивных ограничениях традиционных магнетронов с термоэлектронными катодами. В них электроны выбиваются с поверхности катода за счет нагрева, что требует сложных систем подогрева и энергопитания. Со временем катод теряет свои свойства, его поверхность загрязняется и разрушается – этот процесс известен как «отравление катода». В результате снижается мощность, уменьшается срок службы, и генератор приходится заменять задолго до исчерпания ресурса остальной системы.
Корейские исследователи предложили заменить такие катоды на полевые эмиттеры — холодные катоды, в которых электроны высвобождаются не под действием температуры, а под влиянием сильного электрического поля. Этот эффект называется автоэлектронной эмиссией. Отказ от нагрева делает устройство проще, надежнее и значительно легче, что особенно важно в условиях, когда каждый килограмм груза на орбите стоит тысячи долларов.
Кроме того, инженеры переработали саму архитектуру устройства. Они сделали форму резонаторных полостей асимметричной, применив так называемую схему «восходящего солнца». В этой конфигурации одна часть полостей немного шире другой, из-за чего электрические колебания в резонаторе распределяются неравномерно. Это помогает естественным образом разделять частоты колебаний и удерживать генерацию в стабильном рабочем режиме, устраняя паразитные колебания, которые раньше требовали установки дополнительных стабилизирующих элементов.
Работоспособность новой конструкции была подтверждена серией цифровых экспериментов с использованием методов вычислительной электродинамики и моделирования электронных потоков. При напряжении 23,5 киловольта и магнитном поле 0,3 тесла новый магнетрон показал эффективность 85% и выходную мощность свыше 100 киловатт на частоте 2,45 ГГц. Для сравнения: коммерческие аналоги при тех же условиях обычно выдают лишь 10-15 киловатт с КПД около 60%. Таким образом, новая система оказалась примерно в восемь раз мощнее и на четверть эффективнее существующих аналогов, сохранив те же габариты и рабочие условия.
По расчетам исследователей, применение новых источников позволит сократить массу и стоимость подсистемы беспроводной передачи примерно на треть. В пересчете на весь проект это означает снижение общей стоимости орбитальной станции на 30% – с 28 до 19,6 млрд долларов.
Но выгоды не ограничиваются космосом. Технологии мощной беспроводной передачи энергии открывают возможности и на Земле – от дистанционной зарядки электромобилей до питания удаленных инфраструктурных объектов.
