Az élet sugara: lézersugárzás

Az élet sugara: lézersugárzás

Ilya Ferapontov
"Népszerű Mechanika" №12, 2016

A gyermekekről, régen a lézerek megjelenése, a világháború és a garin Hyperboloid mérnöke előtt megszoktuk a "halálsugarakat". A katonai álma, hogy a harci lézert üzembe helyezze, hogy elpusztítsa az ellenséges rakétákat, drótokat és műholdakat. De nem a halált, hanem egy kis életet hordoznak.

"Az UAV-ok nagyon népszerű témává váltak, mert amit nem csak próbálnak felhasználni – pizzát szállítanak és felfedezik a csatatéren … Ugyanakkor mindenki kénytelen leküzdeni a fő akadályt – túl rövid repülési idő, a többciklusok 10-20 percig maradnak a levegőben, modern elemek – 25-30. Ez gyakran nem elég "- mondta az RSC Energia Vitaly Kapranov mérnöke.

Valójában sok készüléknek órákon át kell maradnia a levegőben, figyelemmel kell kísérnie a gázvezetékeket vagy a vasút állapotát, a katasztrófahelyiségek légifotózását, a területek védelmét és a rádiójelátvitelt. Ilyen feladatoknál a "repülőgéptípus" típusú búvármotorokat használhatod, de ezek nem túl manőverezhetőek és egy ponton képtelenek lógni. Sok esetben az elektromos quad-kerékpárok sokkal kényelmesebbek, és használóik különböző trükköket használnak,hogy meghosszabbítsa a munka élettartamát: további elemeket, vagy akár segéderőket is szállít a csere gyors elvégzéséhez, míg az a készülék, amelyik időt töltötte, továbbra is feltöltődik.

Az UAV-ok különálló modellei "pórázon" működnek, és áramot kapnak a földről. Azonban a vezetékek súlyosak, a szél maga elé fúvódik, és az ilyen eszközök magasságkorlátja ritkán meghaladja a 200 métert, az 1 km magasság már elérhetetlen. Kísérleteket tesznek arra, hogy a drótokat a rostokon keresztül táplálják, infravörös lézer impulzusokat küldve a tetejére. Tízszer könnyebb a fémhuzalonál, de sajnos nem nagy teljesítményű és könnyen túlmelegedésre képes, ami nagymértékben bonyolítja az ügyet.

A drónok energia "póráza" elkerülhetetlen – de teljesen súlytalan és szinte végtelen lesz, az eszközöket közvetlenül tiszta lézersugárral táplálja. Ezt a projektet Vitaly Kapranov, Ivan Matsak és az RSC Energia Innovációs Projektek Bizottsága (KIPM) fiatal mérnökei fejlesztik. "Technológiánk a naplók 24 órás működtetését biztosítja anélkül, hogy újratöltenének" – mondja Ivan.

Az élen

Egészen a közelmúltig az energiának a lézerek használatával történő átvitele nem sok értelme volt: hatékonyságuk csak 10-20% volt. Figyelembe véve a villamos energia átvitelének és átalakításának veszteségeit, a kedvezményezett a legjobb esetben elérte az eredeti teljesítmény több százalékát. Csak a 2000-es években kezdett megváltozni a helyzet: 40-50% -os hatékonysággal működő infravörös lézerek és gallium-arzén alapú nagy hatékonyságú fotovoltaikus modulok jelentek meg, amelyek képesek akár 40% -kal villamos energiává, esetenként akár 70% -ra is átalakítani a sugárzási energiát.

Az arzén előnyeiről

A fotocellák fénye a fotoelektromos hatás miatt villamossá alakul: a nagy energiájú fotonok "kopogtatnak" az elektronokból az anyagból – és áram keletkezik. A különbözõ félvezetõket különbözõ hullámhosszú sugárzással szemben különbözõ fénykonverziós hatékonyság és különbözõ érzékenység különbözteti meg. Rendszerint a napelemek szilíciumból készülnek, olcsóak, de általában a beáramló fényenergiának legfeljebb 10% -át váltják áramba. A gallium-arzén (GaAs) drágább, de hatékonyabb is. Az infravörös hullámhosszon, körülbelül 808 nm hullámhosszon, teljesítménye eléri a 60% -ot.

Ez nagyszerű divatot váltott ki az önálló dronok létrehozása érdekében, amelyek képesek teljes mértékben megfelelni a saját energiaigényeiknek a fedélzeti napelemekből.A Nap azonban széles hullámhosszon sugároz, és a paneleket "univerzálisnak" kell tekinteni, amely képes különböző energiák fotonjainak megragadására. A lézersugár lehetővé teszi, hogy sokkal több ékszerész dolgozhasson: szigorúan meghatározott frekvenciával rendelkezik, és lehetővé teszi a fénysorompó előválasztását úgy, hogy az adott hullámhosszú fotonok kiiktatják az elektronok maximális számát. Ez növeli az energia rendszer hatékonyságát, csökkenti méretét és súlyát.

A projekt, amelyen Kapranov, Matsak és munkatársai dolgoznak, két hullámhosszú, 808 és 1064 nm hullámhosszú infravörös lézert használnak az energiaátadáshoz. A 808 nm-es sugár gallium-arzén alapú fotovoltaikus cellákra fókuszál, 40% -os energia-konverziós hatékonysággal. De ez a hullámhossz csak rövid távon jó: egy kilométeres távolságból a gerenda egy homályos pontmérőre nő. "1064 nm-nél a hatékonyság 10% -át veszítjük el, de egy kilométeren a gerenda csak 3 cm-es pontot ad" – magyarázza Kapranov.

Energia-átalakítási hatékonyság. Monokromatikus sugárzás (809 nm), koncentráló optikával ellátott vevő, fotocellák párhuzamos csatlakoztatása

A vezérlő rendszerrel ellátott töltőállomás folyamatosan táplálja a drón energiáját,ha nem távozik a látóteréből, vagy ha a készülék egy bizonyos útvonal mentén repül, és az útvonal egy bizonyos pontján töltődik fel. Szükség esetén így napközben az UAV-ot a levegőben tarthatja, sok esetben olcsó alternatíva az űrhajó számára.

Tetőtől a tetőig

Az orosz mérnökök nem elsőként dolgoznak lézersugáron. 2011-2012-ben az ilyen fejlesztést a vállalat igazolta. Lézeres motívumegy drón segítségével egy hagyományos napelemes cellával, ahol az energiaátalakítás hatékonysága nagyon alacsony volt. "Nagy sikerrel játszottak, elnyerték a NASA versenyt Űrhajó– Vitaly Kapranov megjegyzi. "Számunkra ez egy jel: nincs idő elveszteni."

Eddig az Energy Projects Innovation Projects Committee mérnökei már kifejlesztettek egy lézersugár-célzási rendszert, amely érzékeny a drón láthatóvá tételére. Figyelemmel kíséri a készüléket, a gyengén "navigációs" lézer jelének visszaverődésére összpontosítva a test sarki reflektoráról 0,1 ° pontossággal. További útmutatás a "lézerpisztoly" optikai rendszerének miniatűr tükörét biztosítja.Lehetővé teszi, hogy a sugár irányát a fokozat egy milliméterére változtassuk, összpontosítva a fotodetektor sejtjeinek energiájára, és hogy elérjük a maximális energiaszintet.

Ezt a berendezést földi kísérletekben már tesztelték – a Moszkva melletti Korolev Moszkva két munkaterületének tetőin, 1,5 km távolságra. "Mind az esőben, mind a ködben sikerült energiát átadni, csak a kovácsműhely komolyan zavarja: amikor elkezdett dolgozni, a gerenda megállt a nehéz füst miatt. Kapranov.

"A légkör sugárnyaláb terjedésének legfőbb akadályai a felszín közelében vannak: por, füst és levegő rezgés a fűtött tetőkből" – magyarázza a fejlesztő. "A zaj jelentősen kisebb lesz." A mérnökök elvárják, hogy 2017-ben, majd két vagy három év múlva megkezdhessék az első kísérletet egy valódi drónel, és a londoni erőátvitel állomását egyszerűen leengedve, vagy anélkül. De terveik magasabbak.

Keringés előtt

Az űrben a lézer energiaátadás még hatékonyabb lesz, mint a levegőn keresztül: szinte semmi sem képes felszívni és szétszórni a sugárzást. Napjainkban sok űrhajó energiát kap a napelemektől, de a hatalmas szárnyak a térben sok problémát okoznak. "A panelek mérete arányos a hatalom igényével" – mondja Ivan Matsak – "Nagy energia szükséges – nagy akkumulátorok szükségesek, az űrjármű tömege nő, az üzemanyag tömege nő, a hasznos teher csökken."

Ráadásul a napelemek egyszerűen nincsenek telepítve néhány műholdra. A modern mikroszatellitek méreteit tíz centiméterben mérik, és legjobb esetben több négyzetméter decimétert helyeznek el a napelemekbe. A tervezőknek küzdeniük kell minden felhasznált wattért, és nem arról van szó, hogy energiaigényes terhelést helyeznek el az ilyen készülékeken (például egy elektromos sugárhajtóművel, hogy fenntartsák a pályát). A mikroszatellitek általában több hónapig élnek, feladataikat és a légkörben égnek. De a lézer közvetlenül az ISS-ből tölthető fel, meghosszabbítva az élettartamot.

És ezt az elképzelést az elkövetkező években tesztelik majd.Ivan Matsak és munkatársai által kifejlesztett "Pelikan" kísérlet lehetővé teszi majd az ISS oroszországi szegmenséről a Progress rakományhajó fedélzetére történő új energiaátvitel módját. 1 km távolságban a lézersugár helyzete 30-40 cm átmérőjű lesz, ugyanazon méretű fotodetektorra esik. Annak érdekében, hogy energiát szállítsanak a Földről, egy további fókuszáló rendszerre van szükség – a tudósok szerint egy átlagos távcső, amelynek tükröse 2 m átmérőjű, képes játszani ezt a szerepet.

A tudósok értékelték egy ilyen rendszer használatának lehetőségét egy tipikus nagyméretű műhold meghajtására. "Vegyünk egy olyan eszközt, mint a Resurs-P" – magyarázza Vitaly Kapranov. "Az 5 × 5 m-es napelemeket egy 1 × 1 m-es vevőkészülékkel helyettesítheti, és 1,5-szeresére tovább növeli a műholdat. egy rakéta erejéig, vagy több eszköz szállítására. "

De a mérnökök készen állnak arra, hogy még tovább haladjanak, és egy teljes erőművet szállítsanak az űrbe – egy nukleáris reaktorral és lézerenergiával működő erőművel rendelkező műhold. Egy ilyen eszköz egyszerre számos műholdat képes elszállítani – pl. Egy függőleges vontatóhajó flotta,amely a legnehezebb telekommunikációs műholdakat hozza nagy keringési pályára. Elméletileg az ilyen erőművek képesek lesznek energiát és kutatási rovereket szállítani más bolygókon. "Mi is dolgozunk ilyen projekteken," biztosította RKK mérnökök.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: