A tudósok első alkalommal sugároztak le napenergiát az űrből a Földre

A napenergia a megújuló energia leggyorsabban növekvő formája, és jelenleg a globális villamosenergia-termelés 3,6 százalékát adja. Ezzel a ...

A napenergia a megújuló energia leggyorsabban növekvő formája, és jelenleg a globális villamosenergia-termelés 3,6 százalékát adja. Ezzel a megújulóenergia-piac harmadik legnagyobb forrása, ezt követi a vízenergia és a szélenergia.

Ez a három módszer várhatóan exponenciálisan nő a következő évtizedekben, és 2035-re eléri a 40 százalékot, 2050-re pedig a 45 százalékot. Összességében a megújuló energiaforrások a század közepére várhatóan az energiapiac 90 százalékát teszik ki, a napenergia pedig nagyjából a felét.

Az átálláshoz azonban számos technikai kihívást és problémát kell leküzdeni.

A napenergia fő korlátozó tényezője a szakaszosság, vagyis csak akkor termelhet áramot, ha elegendő napfény áll rendelkezésre. Ennek megoldására a tudósok évtizedeket töltöttek az űralapú napenergia (SBSP) kutatásával, ahol a keringő műholdak a nap 24 órájában, az év 365 napján, megszakítás nélkül gyűjtenék az energiát.

A technológia fejlesztése érdekében a Caltech Space Solar Power Project (SSPP) kutatói nemrég fejezték be az első sikeres vezeték nélküli energiaátvitelt a Microwave Array for Power-transfer Low-Orbit Experiment (MAPLE) segítségével.

A MAPLE-t a Caltech csapata fejlesztette ki, amelyet Ali Hajimiri, elektromérnöki és orvosmérnöki professzor, valamint az SSPP társigazgatója vezetett. A MAPLE a Space Solar Power Demonstrator (SSPD-1) által tesztelt három kulcsfontosságú technológia egyike.

Ez a platform egy sor rugalmas, könnyű mikrohullámú adóból áll, amelyet egyedi elektronikus chipek vezérelnek. A demonstrátort alacsony költségű szilíciumtechnológiák felhasználásával építették, amelyek célja a napenergia begyűjtése és a kívánt vevőállomásokra történő sugárzása világszerte.

Az SSPP 2011-ben kezdődött, amikor Donald Bren, a Caltech kuratóriumának élethosszig tartó tagja felkereste a Caltech akkori elnökét, Jean-Lou Chameau-t, hogy megvitassák egy SBSP kutatási projekt létrehozását.

Bren és felesége (szintén a Caltech megbízottja) megegyezett, hogy összesen 100 millió dollárt adományoznak a projekt finanszírozására, míg a Northrop Grumman Corporation további 12,5 millió dollárt biztosított. Az SSPD-1 január 3-án indult egy SpaceX Falcon 9 tetején, és egy Vigoride űrszonda telepítette (a Momentus repülőgépgyártó cég készítette).

Ahhoz, hogy az SBSP megvalósítható legyen, a műholdaknak könnyűnek kell lenniük, hogy költséghatékony módon lehessen őket indítani, és rugalmasnak kell lenniük, hogy elférjenek a rakományburkolatok belsejében (hasonlóan a James Webb űrteleszkóphoz).

Harry Atwater, a Mérnöki és Alkalmazott Tudományok Osztályának elnöke, Howard Hughes alkalmazott fizika és anyagtudomány professzor, valamint a Liquid Sunlight Alliance igazgatója a projekt egyik fő kutatója. Ahogy a Caltech sajtóközleményében kifejtette :

"A vezeték nélküli energiaátvitel könnyűszerkezetes elemekkel történő bemutatása az űrben fontos lépés az űrben lévő napenergia és az ehhez való széles körű hozzáférés felé. Az SSPP-nek ultrakönnyű, olcsó és rugalmas napenergia-átviteli rendszereket kell megterveznie és létrehoznia a Föld áramellátásához."

Mindegyik SSPP egység körülbelül 50 kilogrammot nyom, ami összevethető a mikroműholdakkal, amelyek általában 10 és 100 kg közöttiek. Mindegyik egység körülbelül 1 m³ térfogatú csomagokba hajtható össze, majd egy körülbelül 50 m átmérőjű lapos négyzetté bontható ki, egyik oldalon napelemekkel, a másikon pedig vezeték nélküli teljesítményadókkal.

Az SPPD-1 alkatrészek szabadon vannak, ami azt jelenti, hogy ki vannak téve az űr szélsőséges hőmérsékleti ingadozásainak. A kísérlet azon túlmenően, hogy bebizonyította, hogy az erőtávadók túlélik az űrbe való kilövést, hasznos visszajelzést is adott az SSPP mérnökeinek.

"Az eddigi kísérleteink során megerősítést kaptunk arról, hogy a MAPLE sikeresen képes energiát továbbítani az űrben lévő vevőknek," - mondta Hajimiri.

"Azt is be tudtuk programozni, hogy az energiát a Föld felé irányítsa, amit itt, a Caltechnél észleltünk. Természetesen teszteltük a Földön, de most már tudjuk, hogy képes túlélni az űrbe való utazást és ott működni."

A demonstrátornak nincsenek mozgó alkatrészei, és az adóantennák közötti konstruktív és destruktív interferenciára támaszkodik a sugárzott energia fókuszának és irányának eltolásához. Ezek az antennák 16-os csoportokba vannak elrendezve, mindegyiket egyedileg készített rugalmas integrált áramköri chip hajtja meg.

A pontos időzítés-vezérlő elemekre és az elektromágneses hullámok koherens hozzáadására is támaszkodnak annak biztosítására, hogy a sugárzott energia elérje a kívánt célt. Két vevőegység körülbelül 30 cm-re van elhelyezve az adóantennáktól, amelyek a napenergiát egyenárammá (DC) alakítják át.

Ez egy pár LED-lámpa táplálására szolgál, bemutatva a vezeték nélküli energiaátvitel teljes sorozatát. A MAPLE sikeresen bebizonyította ezt azáltal, hogy minden LED-et külön-külön meggyújtott, és oda-vissza váltott közöttük.

A MAPLE tartalmaz egy kis ablakot is, amelyen keresztül energiát sugározhat, amelyet a Caltech Gordon and Betty Moore Laboratory of Engineering laboratóriumának vevőkészüléke észlelt. Ezt a jelet a várt időben és frekvencián vették, és a pályája alapján megjósolt frekvenciaeltolódást mutatott.

"Legjobb tudomásunk szerint még drága merev szerkezetekkel sem demonstrált még senki vezeték nélküli energiaátvitelt az űrben," - mondta Hajimiri. "Rugalmas könnyűszerkezetekkel és saját integrált áramköreinkkel megcsináltuk. Ez az első."

A csapat most az egyes rendszerelemek teljesítményét méri fel a kisebb csoportok interferencia-mintázatainak tesztelésével és a kombinációk közötti különbség mérésével. Ez a folyamat akár hat hónapig is eltarthat, így a csapatnak elegendő ideje marad a szabálytalanságok észlelésére és a napelemes műholdak következő generációját szolgáló megoldások kidolgozására.

A MAPLE mellett az SSPD-1 két másik fő kísérletet is végez. Ezek a Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment (DOLCE), egy 1,8x1,8 méteres szerkezet, amelyet kis moduláris űrhajók telepítésére terveztek, és az ALBA, egy 32 különböző típusú fotovoltaikus cellából álló sorozat annak tesztelésére, hogy az űrben a leghatékonyabbak.

Az ALBA-tesztek folyamatban vannak, miközben a DOLCE-t még nem telepítették, és ezeknek a kísérleteknek az eredményei a következő hónapokban várhatók. Eközben a MAPLE kísérlet eredményei nagyon biztatóak és bizonyítják, hogy a kulcsfontosságú SBSP technológiák megvalósíthatók.

"Ugyanúgy, ahogy az internet demokratizálta az információhoz való hozzáférést, reméljük, hogy a vezeték nélküli energiaátvitel is demokratizálja az energiához való hozzáférést. Nem lesz szükség a helyszínen energiaátviteli infrastruktúrára, hogy megkapjuk ezt az energiát. Ez azt jelenti, hogy energiát küldhetünk távoli régiókba és területekre, ahol háború vagy természeti katasztrófa pusztított," - mondta Hajimiri.

Az SBSP nyolcszor több energiát képes leadni, mint a Föld felszínén elhelyezett napelemek. Amikor a projekt teljes mértékben megvalósul, a Caltech egy olyan moduláris űrrepülőgép konstellációt remél telepíteni, amely napenergiát gyűjt, elektromos árammá alakítja, és mikrohullámmá konvertálja, amely vezeték nélkül továbbítható a világ bármely pontjára.

Amellett, hogy segíti a tiszta, megújuló energiára való átállást, megvan a lehetőség arra is, hogy bővítse a rosszul ellátott közösségek hozzáférését.

"A világ jövője szempontjából kritikus fontosságú megújuló energiára való átállást ma korlátozzák az energiatárolási és -átviteli kihívások. Az űrből származó napenergia sugárzása egy elegáns megoldás, amely egy lépéssel közelebb került a megvalósításhoz a Bren házaspár nagylelkűsége és előrelátása miatt. Donald Bren egy hatalmas technikai kihívás elé állított bennünket, amely figyelemre méltó megtérülést ígér az emberiség számára: egy olyan világot, amely megszakítás nélküli megújuló energiával működik," - mondta Thomas F. Rosenbaum, a Caltech elnöke. (1)

(1) - https://www.sciencealert.com/scientists-beam