Электроэнергия по лазерному лучу: исследовательская программа DARPA POWER
Планы по программе POWER. На первом этапе опробуют передачу энергии между наземными объектами, а затем начнут внедрять воздушные компоненты
Армия США, как и любые другие современные вооруженные силы, критически зависит от снабжения электроэнергией. В зависимости от особенностей размещения, части и подразделения получают электричество от существующей инфраструктуры или от собственных мобильных электростанций. В последнем случае подвоз топлива может быть связан с трудностями и рисками. В связи с этим достаточно давно ведется поиск новых принципов генерации или передачи энергии. Так, агентство DARPA сейчас проводит программу POWER, в ходе которой изучает возможность передачи энергии при помощи лазерного луча.
Беспроводная энергетика
В начале октября 2022 г. агентство перспективных разработок DARPA впервые рассказало о запуске новой исследовательской программы в области энергетики. Исследование назвали Persistent Optical Wireless Energy Relay («Постоянная оптическая беспроводная передача энергии») или сокращенно POWER («Мощность» или «Энергия»).
К моменту первого открытого упоминания темы POWER специалисты Агентства составили общую концепцию и определили направления дальнейших работ. Также приняли план, предусматривающий несколько этапов разработки.
Как ясно из названия, целью программы является поиск и отработка технологий для передачи энергии «по воздуху» с применением оптических средств. Предполагается, что при должном уровне развития такие устройства смогут обеспечить передачу значительных мощностей на требуемые дальности. При благоприятном развитии проекта, по совокупности технических и эксплуатационных характеристик система POWER должна превзойти существующие методы и средства – наземные линии электропередачи или дизель-генераторы в связке с автоцистернами.
Возможный облик беспилотного ретранслятора
Исследовательская программа разделяется на несколько этапов. На первом покажут принципиальную возможность решения основной задачи, а также найдут оптимальные компоненты и средства. Следующие два этапа предусматривают дальнейшее развитие и масштабирование этих технологий с выходом на показатели, позволяющие внедрять систему в эксплуатацию.
Известно, что программой POWER занимается одно из отделений агентства DARPA. Привлекались ли к ней другие организации и предприятия, пока не уточнялось. Кроме того, ввиду общей сложности поставленных задач Агентство не может назвать даже примерные сроки завершения работ и возможного начала эксплуатации готовой системы.
Технические аспекты
Программа POWER предлагает разработку системы передачи энергии на основе нескольких компонентов. В состав такой системы должны входить передающая и приемная станция, а также, при необходимости, промежуточные ретрансляторы. В зависимости от конкретных потребностей заказчика, компоненты системы должны иметь разное исполнение и характеристики.
Передающую станцию предлагается размещать рядом с источником энергии или соответствующей инфраструктурой. Главным элементом такой станции является лазер с достаточной мощностью излучения и возможностью длительной непрерывной работы. Станция должна преобразовывать электроэнергию из сети / от генератора в лазерный луч. При помощи соответствующей оптики луч предлагается направлять в сторону приемника.
Приемная станция, в свою очередь, должна улавливать лазерный луч своими солнечными панелями и преобразовывать световую энергию в электрическую. Далее электричество может распределяться между потребителями.
Система из передающей и приемной станций может работать только в пределах прямой видимости. Для передачи энергии на большие дальности в систему предлагается включать промежуточные ретрансляторы. Это будет некая система, способная принимать лазерный луч и передавать его дальше – за счет отражения или преобразования через электрическую систему.
Таким образом, при создании системы POWER специалистам DARPA и смежных организаций предстоит решить несколько инженерных задач разной сложности. К примеру, создание лазерного излучателя высокой мощности с точным наведением луча является вполне реальной задачей. В США создан целый ряд подобных систем военного назначения, и накопленный опыт поможет в новом проекте. Приемная станция тоже достаточно проста.
Наибольшие трудности ожидаются при создании ретрансляторов, а также платформ под них. Их могут выполнить на основе беспилотных летательных аппаратов, способных в течение длительного времени оставаться на одном месте и обеспечивать передачу энергии. Возможно, понадобится разработка совершенно новых БПЛА с желаемыми характеристиками и возможностями.
Отдельной задачей является разработка собственно устройства для перенаправления луча на следующий ретранслятор или на приемную станцию. Для этого в перспективе хотят использовать оптические системы с зеркалами и линзами, способные наводить луч и дополнительно фокусировать его. В качестве временного решения может использоваться система с солнечной панелью и лазером.
Американские военнослужащие запускают компактный генератор
Вне зависимости от способа передачи, система нуждается в точных средствах наведения на всех средствах, основных и промежуточных. При промахе на любом этапе передачи приемная станция потеряет луч и оставит потребителей без электричества.
Испытания и отработка системы POWER будут выполнены в три этапа, по мере появления новых компонентов и устройств. Так, эксперименты начнутся с передачи электроэнергии между наземными станциями на ограниченном расстоянии. Затем к испытаниям привлекут новые БПЛА. Вероятно, на этом этапе будет использоваться промежуточное преобразование луча в электричество и обратно.
Наконец, на третьем этапе начнутся испытания системы в полной комплектации. От передающей до приемной станции лазерный луч будет идти через оптические системы на промежуточных БПЛА. Конечно, если удастся создать такие устройства с требуемым уровнем характеристик.
Недостатки и преимущества
В DARPA понимают, что концепт POWER имеет ряд недостатков, которые затруднят разработку полноценного проекта, а также наложат ограничения на работу готовой системы. Тем не менее, планируется продолжить работы и, при возможности, сократить влияние негативных факторов.
Прежде всего, источником проблем является сам лазерный луч. Проходя через атмосферу, он теряет мощность. Кроме того, атмосферные и погодные явления способны даже заблокировать его. Как следствие, надежность и КПД подобной передачи будут низкими. Лазерную систему передачи, вне зависимости от ее состава, не удастся использовать на больших расстояниях.
Солнечные панели на одной из баз армии США
Системы точного наведения луча имеют значение не только для работоспособности системы, но и влияют на ее безопасность. В составе POWER должны использоваться лазеры большой мощности, аналогичные используемым в боевых комплексах. Соответственно, промах при наведении луча является угрозой. Луч повредит беспилотник-ретранслятор или нанесет урон наземным объектам.
Даже при успешном решении всех технических задач и избавлении от ожидаемых проблем, система POWER будет сложной и дорогой. Стоимость передачи энергии тоже будет на чрезмерно высоком уровне, что не позволит массово развертывать и применять ее. Как минимум, с точки зрения общей и удельной стоимости, сохранение дизель-генераторов и автоцистерн будет значительно выгоднее.
Сомнительное начинание
Таким образом, агентство DARPA начало научную и практическую проработку интересной, но сомнительной концепции. Программа POWER представляет технический интерес и поможет создать новые важные и любопытные технологии. Однако успешное завершение работ и создание работоспособной системы передачи электроэнергии не гарантируется.
Вполне вероятно, что программа POWER пройдет через научно-исследовательскую стадию и даже дойдет до испытаний отдельных компонентов. Однако дальнейшее ее развитие под вопросом. Ожидаемое соотношение технических, экономических и эксплуатационных особенностей такой системы находится на крайне низком уровне. Пентагон может попросту не заинтересоваться результатами программы и не одобрить дальнейшие работы.
Информация