Что, если провода станут пережитком прошлого, а энергия будет струиться по воздуху – от космоса до вашего дома? Более века учёные мечтают о беспроводной передаче энергии, и эта мечта обретает форму. От дерзких идей Николы Теслы до современных экспериментов с микроволнами и лазерами – мы стоим на пороге энергетической революции. В этой статье мы разберём, как технологии меняют наше представление об электричестве и что ждёт нас в будущем.
PM: Передача электроэнергии по лучу может позволить орбитальной космической электростанции поставлять один гигаватт солнечной энергии, что достаточно для питания около 1 миллиона домов в год.
С тех пор как в 1882 году инженер щелкнул выключателем на электростанции Pearl Power Station в центре Манхэттена, электричество по всему миру передается из точки А в точку Б по проводам. Будь то мощные линии электропередач, распределительные линии малой мощности или просто 120-вольтовая розетка на вашей кухне - все это провода.
Хотя для наших домов, предприятий и айфонов это, возможно, и хорошо, электрические столбы и провода имеют смысл далеко не в каждой ситуации, как сейчас, так и в будущем. Возможно, прокладывать громоздкие линии электропередач или оптоволоконные кабели к удаленному острову слишком накладно. Есть и космическое применение. Не так-то просто проложить провода от спутников, собирающих солнечную энергию, к наземным электростанциям. А поскольку все больше отраслей промышленности переходят на электричество в рамках отчаянной борьбы за сокращение выбросов углекислого газа, способность передавать энергию в любое время и в любое место - по проводам или без - важна как никогда.
Уже более века ученые и инженеры размышляют над совершенно иным способом передачи энергии- без проводов. Он называется «передача энергии по проводам», и на протяжении десятилетий изобретатели, ученые и инженеры проводили своего рода технологическую генеральную репетицию, чтобы воплотить его в жизнь. Они придумывали способы использования микроволн, радиоволн и даже лазеров для передачи энергии из одного места в другое.
Идею телепортации энергии можно отнести к Николе Тесле. Один из величайших изобретателей в истории, Тесла всегда отличался странными идеями. Некоторые из них изменили мир (переменный ток), а другие просто вызывали недоумение (глубокая любовь к голубям). Однако Тесла мог быть и своего рода прорицателем в области технологий. В 1926 году Тесла написал в журнале Collier's, что «благодаря телевидению и телефонии мы будем видеть и слышать друг друга так же прекрасно, как если бы мы находились лицом к лицу» с устройствами, которые «помещаются в карманах наших жилетов». Жилеты так и не появились, но первые смартфоны появились почти 80 лет спустя.
А вот, пожалуй, самый амбициозный его проект - Всемирная беспроводная система. В соответствии со своим названием, система могла передавать электричество через ионосферу Земли, по сути, используя саму планету в качестве проводника - по крайней мере, Тесла на это надеялся. По финансовым, практическим и научным причинам Всемирная беспроводная система Теслы канула в историю. Однако идея передачи энергии по беспроводной связи продолжала жить.
«Тесла думал о методах индукции... Он думал об использовании электрических полей, чтобы затем вызвать ток в другом месте», - говорит Стивен Суини, доктор философии, профессор фотоники и нанотехнологий в Университете Глазго. «Это хорошо работает на коротких расстояниях... но когда вы начинаете удаляться, это уже не очень хорошо».
Проблема заключалась в том, чтобы понять, как направить электромагнитные волны. Вслед за технологическими инновациями Второй мировой войны у ученых появилась пара ответов на этот инженерный ребус: микроволны и лазеры.
В 1964 году американский инженер-электрик Уильям К. Браун успешно пилотировал небольшой вертолет в течение 10 часов с помощью микроволнового излучения. В 1975 году Браун вместе с ученым НАСА Ричардом Диксоном успешно передал 30 киловатт прямой энергии на расстояние в одну милю с помощью микроволн, излучаемых из 85-футовой чашеобразной антенны под названием «Венера», но с эффективностью всего 50 процентов. Оба эксперимента, безусловно, были техническими достижениями, но не достаточно хорошими или достаточно масштабируемыми, чтобы быть чрезвычайно полезными.
За прошедшие десятилетия технологический прогресс превратил излучение энергии из новаторского эксперимента в энергетическую необходимость. К ним относятся появление компьютеров, фотовольтаики, лазеров и транзисторов. Общество также начало стремиться к электрификации перед лицом неумолимого изменения климата.
«Когда это было впервые предложено, это было просто технологически невозможно... С тех пор технологии развивались», - говорит Суини. «Но в последние несколько лет все это стало возможным благодаря тому, что некоторые вещи стали дешевле в производстве».
Рик Ходжсон, менеджер по развитию бизнеса новозеландской компании EMROD, специализирующейся на передаче энергии, считает переход от ископаемого топлива еще одной важной причиной, по которой беспроводная передача энергии наконец-то стала восприниматься всерьез. «Объекты, работавшие на ископаемом топливе, переходят полностью на электричество», - говорит Ходжсон. «Одна горнодобывающая компания в Австралии объявила о сделке с компанией Liebher на сумму 4 миллиарда долларов... на поставку более 450 полностью электрических автомобилей».
Проблема в том, что эти электромобили нуждаются в подзарядке. Но благодаря передаче энергии по лучам электромобили, беспилотники и спутники могут продолжать работать, находясь на постоянной подзарядке. То же самое относится и к растущему числу интеллектуальных датчиков, которые управляют нашим взаимосвязанным миром.
Все новые технологии конкурентоспособны, но силовой луч стоит особняком. Отчасти это объясняется тем, что многие длины волн электромагнитного спектра могут быть полезны для передачи энергии. Как и в случае с любым источником энергии, неизбежные компромиссы зависят от того, как используется эта технология.
Система EMROD, например, начинает работу с энергии из сети. Система преобразует постоянное электричество в микроволны и передает их в виде коллимированного луча между передающей и приемной антеннами. И наконец, она преобразует луч обратно в энергию постоянного тока, чтобы ее можно было использовать. Большинство, если не все, системы передачи энергии работают аналогичным образом, но разница заключается в длине волны, используемой между двумя антеннами.
Изображение любезно предоставлено компанией Emrod
Для беспроводной передачи энергии Emrod передает энергию сфокусированным лучом через несколько ретрансляционных точек на «ректенну», которая затем передает энергию в виде микроволн.
Микроволны могут проходить через атмосферу и не теряют много энергии, говорит Суини, эксперт по фотонике, который работал над многими проектами по передаче энергии с помощью лазера. «Большим недостатком в конечном итоге является физика, потому что... способность концентрировать луч зависит от длины волны».
При передаче микроволн на относительно небольшие расстояния, например, на автоматизированную фабрику, или на средние расстояния, например, на удаленный остров, антенны могут оставаться относительно небольшими. Но если попытаться сделать то же самое с помощью спутников, собирающих солнечную энергию в космосе, потребуется приемная антенна размером во много квадратных километров. Хотите передавать энергию из гипотетической сферы Дайсона, заключающей в себе Солнце? Забудьте об этом.
Системы на основе лазеров, с другой стороны, имеют аналогичные преимущества и недостатки, но в обратном порядке. Лазеры более восприимчивы к атмосферным возмущениям, но поскольку длина их волн находится в микрометровом диапазоне (а не в сантиметровом, как у микроволн), «у вас есть возможность сконцентрировать луч гораздо сильнее, и поэтому вы можете сделать приемники небольшими... эквивалент приемника для лазерного космического луча составляет десятки метров», - говорит Суини.
Есть еще зона Златовласки, где длины волн не слишком малы, но и не слишком велики. Именно здесь и оказывается американская компания Reach Power, поскольку ее технология передачи энергии опирается на радиоволны миллиметрового диапазона.
«Я думаю, что наша область применения будет менее 25 километров, - говорит генеральный директор Reach Power Крис Давлантес. Хотя эта технология не заменит линии электропередач протяженностью в сотни километров, она может подойти для «городского пейзажа с роботами, роботакси или беспилотниками в небе, или распределенными платформами датчиков, или заменой резервных генераторов».
Передача энергии по лучам - это глобальная задача, причем в США инвестиции направляются в военное дело, а в Европе - в «зеленую» энергетику. В Азии большой интерес проявляют телекоммуникационные компании, а Япония лидирует в области космического телепортации энергии. Так когда же, учитывая все эти разнообразные сферы применения, энергоизлучение, наконец, войдет в обиход?
Это ближе, чем вы думаете.
Такие захватывающие технологии, как термоядерная энергия, летающие автомобили и другие виды технофантастики, всегда кажутся вечно далекими на 30 лет. Однако с энергетическим лучом дело обстоит иначе.
«Первые, ближайшие варианты использования... это датчики с низким энергопотреблением», - говорит Давлантес. «Вещи, которые могут питаться практически от сети wi-fi». Такие компании, как Powercast и Wi Charge, уже разрабатывают технологии для маломощных датчиков в домах и торговых точках. В качестве примера можно привести умное освещение, датчики движения и датчики приближения. Представьте, что вы идете по проходу супермаркета с динамическими дисплеями, которые могут обновляться удаленно, и все это работает от концентратора, установленного в потолке над головой.
Но, как и большинство технологий, разработанных в современной истории, первыми последователями, скорее всего, станут такие подразделения, как вооруженные силы США, которые могут съесть любую энергетическую неэффективность или затраты, потому что потребность в доставке энергии очень велика. Это особенно важно для непрерывной работы военных беспилотников или питания крайне необходимых технологий на поле боя.
Эффективность - это навязчивая идея, которой руководствуется компания EMROD, работающая с партнерами из коммунальных служб в Новой Зеландии и по всему миру для тестирования своей технологии передачи энергии. Компания утверждает, что ее система передатчиков и приемников может достигать 95 % эффективности, и она знает, как достичь 99 %.
В конечном итоге EMROD хочет построить глобальную электрическую сеть, в том числе найти способы снабжать энергией отдаленные населенные пункты, которые не имеют хорошего энергоснабжения. Эта космическая сеть, получившая название Worldwide Energy Matrix, будет использовать созвездие спутников для бесперебойного сбора солнечной энергии, передачи ее между спутниками и отправки в любую точку земного шара.
Японское космическое агентство JAXA настолько заинтересовано в этом потенциальном источнике энергии, что к 2030-м годам надеется создать на орбите космическую электростанцию, которая будет производить один гигаватт электроэнергии - примерно столько же, сколько производит коммерческий ядерный реактор в год.
Даже если такие космические приложения все еще находятся в неуловимой сфере «не за горами», более земные мечты об энергетическом луче могут быть реализованы. Технология достаточно хороша, она достаточно дешева, и первоначальный скептицизм, который сначала охватил отрасль, постепенно исчезает.
Поначалу... вопросы, которые я получал в первые дни, сводились к «это невозможно... это ни за что не сработает», - говорит Давлантес. «Самые большие изменения, которые я наблюдал даже за последние пять лет... это то, что люди теперь верят, что это реально».