Полет с помощта на микровълни: да се подготвим за нов вид пътуване със самолет

Как микровълните могат да заменят традиционните горива.

Представете си, че е 2050 г. и вие летите с нов тип самолет, който не използва гориво. Самолетът се издига във въздуха, но вместо обичайното набиране на височина, той се изравнява и двигателите намаляват мощността си до тихо бръмчене. Пътниците се напрягат, без да знаят дали това е нормално. И тогава на хоризонта се появява огромна антенна решетка, която насочва мощен лъч електромагнитно излъчване към долната част на самолета. Поглъщайки тази енергия, двигателите възвръщат мощността си и самолетът продължава да се издига. След няколко минути лъчът ще предаде достатъчно енергия, за да се достигне до следващата наземна антена, разположена на няколкостотин километра.

Електромагнитните вълни по време на полет изглеждат като научна фантастика, но в сравнение с другите предложения за декарбонизиране на авиацията, това не е чак толкова налудничаво. Батериите, водородът и алтернативните въглеводородни горива не могат да съхраняват толкова ефективно и евтино енергията, колкото изкопаемите горива, и не отговарят на нуждите на търговските въздушни превози. Така че защо да не се прехвърля енергия от земята?

За безжичен източник на енергия инженерите биха избрали микровълните, тъй като този вид излъчване може да преминава през облаците, а приемниците на самолетите могат напълно да го абсорбират без риск за пътниците. Насочването на микровълните към движещ се самолет изисква тесен насочен лъч, който може да бъде създаден с помощта на фазирани решетки.

Как работи фазираната решетка

Фазираните решетки работят на принципа на интерференцията. Излъчванията от антените се наслагват едно върху друго и в определени посоки вълните се наслагват структурно, създавайки тесен насочен енергиен лъч. Максималният обхват на предаване на енергията е ограничен от границата на дифракция. При оптимални условия диаметърът на наземните антени трябва да бъде най-малко 170 метра.

В действителност преносът на енергия на големи разстояния досега е осъществяван, но в по-малък мащаб. Така например през 1975 г. НАСА прехвърли 30 киловата на разстояние 1,5 километра. За да постигне това, екипът използва аналогов елемент, наречен клистрон .

Клистроните и техните роднини, резонаторните магнетрони (които се намират в конвенционалните микровълнови печки), са високоефективни поради своята простота. Но техните свойства зависят от точната им геометрия, така че е трудно да се координират няколко такива устройства, за да се фокусира енергията в единен плътен лъч. А през 2022 година същата новозеландска компания представи своята нова технология за ефективен пренос на енергия от орбита. Тя предлага да се изгради глобална безжична енергийна мрежа, която незабавно ще прехвърля възобновяема енергия с помощта на сателити между две произволни точки на Земята.

През 2022 г. стартъпът Emrod от Окланд показа колко обещаващ може да бъде този подход, когато се използват полупроводници. В огромен хангар в Германия, собственост на Airbus, изследователите излъчваха 550 вата мощност на разстояние 36 метра и задържаха повече от 95% от енергията в тесен лъч – много по-добре, отколкото може да се постигне с аналоговите системи.

През 2021 г. Изследователската лаборатория на Военноморските сили на САЩ показа, че тези техники могат да се справят с по-високи нива на мощност, когато излъчиха над един киловат мощност между две наземни антени, разположени на повече от километър една от друга. Други изследователи изстреляха във въздуха безпилотни летателни апарати, а някои групи дори планират да използват фазирани решетки за предаване на слънчева енергия от сателити към Земята.

Идеята за поставяне на слънчеви панели в орбита съвсем не е нова, но основният проблем е, че диаметърът на предавателите и приемниците за пренасяне на няколко гигавата енергия от геостационарна орбита на височина около 36 000 км до Земята трябва да бъде около 2 км. Изграждането на наземни станции с такъв размер е трудоемък процес, а в космоса това е още по-трудно.

Технически и правни пречки

Прехвърлянето на енергия към самолетите може да не изглежда чак толкова щура идея. Въпреки това не бързайте да разкопчавате предпазните колани – тази концепция се очаква да има много „турбуленции“.

Боинг 737 се нуждае от около 30 мегавата, за да излети – хиляда пъти повече енергия, отколкото е демонстрирано в който и да е експеримент за безжично прехвърляне на енергия. Постигането на това ниво при запазване на аеродинамиката на самолета няма да е лесно.

Трябва да се помисли и за конструкцията на антената, която приема микровълните и ги преобразува в електричество за захранване на самолета. Тази специализирана антена, или ректона, трябва да бъде монтирана в долната част на самолета. Преносът на енергия ще бъде максимален, когато въздухоплавателното средство се намира директно над наземната станция, но ще бъде значително намален, когато станцията е далеч напред или назад. При тези ъгли лъчът ще активира само предната или задната част на въздухоплавателното средство, което затруднява генерирането на достатъчна мощност.

При 30 MW мощност на малка площ ще възникне проблемът с високата енергийна плътност. За самолет с размерите на Боинг 737, ректаната ще трябва да побира около 25 вата на квадратен сантиметър. Като се има предвид, че елементите на решетката са разположени на разстояние около половин дължина на вълната (2,5 cm), това се равнява на около 150 вата на елемент. Това е опасно близо до максималната плътност на мощността на всяко полупроводниково устройство за преобразуване на енергия. За сравнение, най-добрият резултат в състезанието IEEE/ Google Little Box Challenge през 2016 г. беше около 150 вата на кубичен инч (по-малко от 10 вата на кубичен сантиметър).

Ректената трябва да е лека и да влияе минимално на въздушния поток. Промяната на нейната геометрия поради аеродинамичните изисквания може да намали ефективността. КПД на съвременното прехвърляне на енергия е само около 30%, така че ректената не може да си позволи твърде много компромиси. Цялото това оборудване ще трябва да работи в електрическо поле от около 7000 волта на метър – това е силата на енергийния лъч. За сравнение, електрическото поле в микровълновата фурна, чиято сила е само една трета от тази стойност, може да предизвика коронен разряд или електрическа дъга между зъбите на метална вилица. Представете си какво би могло да се случи с електрониката на една ректена при такава мощност.

Говорейки за микровълнови печки: за да не се „сготвят“ пътниците случайно на седалките си, прозорците на самолетите с лъчева енергия ще изискват същите предпазни мрежи като на вратите на микровълновите печки. Птиците обаче няма да имат такава защита.

Птица, прелитаща през лъч близо до земята, може да бъде изложена на повече от 1000 вата топлинна мощност на квадратен метър – по-силна, отколкото от слънцето в горещ ден. На по-големи височини лъчът ще се фокусира, създавайки още по-интензивно нагряване. Въпреки това, тъй като тази точка на фокусиране ще се движи много бързо и ще бъде разположена по-високо, отколкото обикновено летят птиците, случаите на „печена патица, паднала от небето“ ще бъдат редки, в буквален и преносен смисъл. Рей Симпкин, главен научен сътрудник в Emrod, заяви, че дори с тяхната система с относително ниска мощност „изпичането“ на една птица ще отнеме „доста повече от 10 минути“.

Техническите и юридическите проблеми

Правните проблеми също са актуални. Високата мощност на радиацията ще изисква внимателно регулиране, за да се предотвратят възможните рискове за пътниците и околната среда. Освен това изграждането на необходимата инфраструктура, включително наземни антени, би изисквало значителни инвестиции.

За пълното покритие на терена ще са необходими много такива антени, особено в планинските местности, където пряката видимост е ограничена. Част от проблема може да бъде решен чрез поставяне на антени в близост до съществуващи летища и соларни ферми.

Въпреки че безжичното предаване на енергия изглежда невероятно, иновативните подходи са необходими, за да се намалят значително емисиите и да се създаде устойчиво бъдеще за авиацията. В края на краищата самите самолети преди време изглеждаха невъзможни.