Energijos spinduliavimas: belaidė ateitis nuo Teslos iki kosmoso

Įsivaizduokite pasaulį, kuriame laidai – praeitis: energija sklinda oru, iš palydovų į atokias salas ar jūsų virtuvę. Nuo Nikolos Teslos svajonių iki šiuolaikinių mikrobangų ir lazerių – belaidis energijos perdavimas žada revoliuciją. Šiame straipsnyje tyrinėjame, kaip mokslas ir inžinerija priartina mus prie ateities, kur elektra pasiekia bet kurį planetos kampelį be vieno laido. Ar esame ant naujos energijos eros slenksčio?

PM: Elektros energijos spinduliavimas leistų orbitoje esančiai kosminei elektrinei tiekti vieną gigavatą saulės energijos, kurios pakaktų aprūpinti maždaug 1 mln. namų per metus.

Nuo tada, kai 1882 m. inžinierius Manheteno centre esančioje Perlo elektrinėje perjungė jungiklį, elektros energija iš taško A į tašką B buvo perduodama laidais. Nesvarbu, ar tai būtų didelės galios perdavimo linijos, ar mažos galios skirstomosios linijos, ar tiesiog 120 voltų rozetė jūsų virtuvėje, visur yra laidai.

Nors mūsų namams, verslui ir „iPhone“ telefonams tai tinka, elektros stulpai ir laidai nėra tinkami kiekvienoje situacijoje - nei dabar, nei ateityje. Galbūt tiesiog per brangu nutiesti gremėzdiškas perdavimo linijas ar šviesolaidinius kabelius į atokią salą. Dar yra kosmoso pritaikymo galimybės. Nelengva nutiesti laidus nuo saulės energiją renkančių palydovų iki antžeminių elektrinių. Kadangi vis daugiau pramonės šakų pereina prie elektros energijos, nes planetoje labai siekiama panaikinti anglies dioksido išmetimą, gebėjimas siųsti energiją, kur ir kada jos reikia - laidais ar be jų - yra svarbesnis nei bet kada anksčiau.

Daugiau nei šimtmetį mokslininkai ir inžinieriai svarstė visai kitokį energijos perdavimo būdą - be laidų. Jis vadinamas energijos perdavimu, ir jau dešimtmečius išradėjai, mokslininkai ir inžinieriai rengia savotišką technologinę repeticiją, kad jį įgyvendintų. Jie ieškojo būdų, kaip panaudoti mikrobangas, radijo bangas ir net lazerius energijai siųsti iš vienos vietos į kitą.

Energijos siuntimo idėją galime atsekti iki Nikolos Teslos laikų. Vienas didžiausių istorijos išradėjų Tesla visada turėjo keistų idėjų. Kai kurios iš jų pakeitė pasaulį (kintamoji elektros srovė), o kitos tiesiog glumino (didelė meilė balandžiams). Tačiau Tesla taip pat galėjo būti savotiškas technologijų pranašas. 1926 m. žurnale „ Collier's“ Tesla rašė, kad „per televiziją ir telefoniją mes matysime ir girdėsime vienas kitą taip puikiai, lyg būtume akis į akį“, o prietaisai „tilps į liemenės kišenę“. Liemenės iš tikrųjų neliko, tačiau pirmieji išmanieji telefonai pasirodė beveik po 80 metų.

Be to, turbūt ambicingiausias jo projektas - Pasaulinė belaidžio ryšio sistema. Pagal savo pavadinimą sistema galėjo perduoti elektrą per Žemės jonosferą, iš esmės naudodama pačią planetą kaip laidininką - bent jau taip tikėjosi Tesla. Dėl finansinių, praktinių ir mokslinių priežasčių Teslos „World Wireless System“ išnyko istorijoje. Tačiau energijos siuntimo belaidžiu ryšiu idėja išliko.

„Tesla galvojo apie indukcijos metodus... jis galvojo apie elektrinių laukų panaudojimą, kad galėtų indukuoti srovę kažkur kitur“, - sako daktaras Stephenas Sweeney, Glazgo universiteto fotonikos ir nanotechnologijų profesorius. „Tai gerai veikia trumpais atstumais... bet kai pradedate tolti, tai nėra labai gerai.“

Reikėjo išsiaiškinti, kaip nukreipti elektromagnetines bangas. Po Antrojo pasaulinio karo technologinių naujovių mokslininkai turėjo keletą atsakymų į šį inžinerinį galvosūkį: mikrobangų krosnelės ir lazeriai.

1964 m. amerikiečių elektros inžinierius Viljamas Braunas (William C. Brown), naudodamas mikrobangų spinduliuotę, 10 valandų nepertraukiamai pilotavo nedidelį sraigtasparnį. 1975 m. Brownas kartu su NASA mokslininku Richardu Dicksonu, naudodami mikrobangas, sklindančias iš 85 pėdų ilgio dubens formos antenos, pavadintos Venera, sėkmingai per vieną mylią perdavė 30 kilovatų tiesioginės energijos, tačiau jos efektyvumas buvo tik 50 proc. Abu eksperimentai tikrai buvo techniniai pasiekimai, tačiau jie nebuvo pakankamai geri ar pritaikomi, kad būtų labai naudingi.

Per pastaruosius dešimtmečius dėl technologinės pažangos energijos siuntimas iš naujo eksperimento tapo energetine būtinybe. Tai buvo kompiuterių, fotoelektros, lazerių ir tranzistorių atsiradimas. Be to, visuomenė pradėjo siekti elektrifikacijos dėl nesiliaujančios klimato kaitos.

„Kai tai buvo pasiūlyta pirmą kartą, tai buvo tiesiog technologiškai neįmanoma... Nuo to laiko technologijos tobulėjo“, - sako Svynis. „Tačiau per pastaruosius kelerius metus tokie dalykai iš tikrųjų vėl atsirado dėl to, kad tam tikrus dalykus tapo pigiau pagaminti.“

Rickas Hodgsonas, Naujojoje Zelandijoje įsikūrusios energijos perdavimo bendrovės EMROD verslo plėtros vadovas, mano, kad perėjimas nuo iškastinio kuro yra dar viena svarbi priežastis, dėl kurios pagaliau rimtai imta žiūrėti į belaidį energijos perdavimą. „Turtas, kuris buvo naudojamas iškastinis kuras, tampa visiškai elektrinis“, - sako R. Hodgsonas. „Viena Australijos kalnakasybos bendrovė paskelbė apie 4 mlrd. dolerių vertės sandorį su „Liebher“... dėl daugiau kaip 450 visiškai elektrinių transporto priemonių tiekimo.“

Dabar iššūkis yra tas, kad šias elektrines transporto priemones reikia įkrauti. Tačiau naudojant energijos spinduliavimą, elektriniai kasybos sunkvežimiai, dronai ir palydovai potencialiai gali važiuoti nuolat įkraunami. Tas pats pasakytina ir apie vis daugiau išmaniųjų jutiklių, kurie valdo mūsų tarpusavyje susijusį pasaulį.

Visos naujos technologijos yra konkurencingos, tačiau energijos siuntimo technologija yra savarankiška. Iš dalies dėl to, kad daug elektromagnetinio spektro bangų ilgių gali būti naudingi energijos siuntimui. Kaip ir bet kurio kito energijos šaltinio atveju, neišvengiami kompromisai priklauso nuo to, kaip ši technologija naudojama.

Pavyzdžiui, EMROD sistema pradedama naudoti energiją iš tinklo. Sistema šią nuolatinės srovės elektrą paverčia mikrobangomis ir perduoda jas kolimuotu spinduliu iš siųstuvo antenos į priėmimo anteną. Galiausiai spindulys vėl paverčiamas nuolatinės srovės energija, kad ją būtų galima naudoti. Dauguma, jei ne visos, elektros energijos siuntimo sistemos veikia panašiai, tačiau skirtumas yra konkretus bangos ilgis, naudojamas tarp dviejų antenų.

Paveikslėlio autorystė - Emrod

Norėdama belaidžiu būdu perduoti energiją, „Emrod“ perduoda energiją sufokusuotu spinduliu per keletą relinių taškų į „rekteną“, kuri perduoda energiją mikrobangų pavidalu.

Mikrobangos gali prasiskverbti pro atmosferą ir nepraranda daug energijos, sako Sweeney, fotonikos ekspertas, dirbęs su daugeliu lazeriu pagrįstų energijos siuntimo projektų. „Didelis trūkumas galiausiai yra fizika, nes... gebėjimas koncentruoti spindulį priklauso nuo bangos ilgio.“

Siųsdami mikrobangas santykinai mažais atstumais, pavyzdžiui, automatizuotoje gamykloje, arba vidutiniais atstumais, pavyzdžiui, į atokią salą, antenos gali išlikti santykinai mažos. Tačiau bandant atlikti tą patį veiksmą naudojant saulės energiją surenkančius palydovus kosmose, reikėtų daugelio kvadratinių kilometrų dydžio priėmimo antenos. Norite perduoti energiją iš hipotetinės Dysono sferos, kuri gaubia Saulę? Pamirškite apie tai.

Kita vertus, lazerinės sistemos turi panašių privalumų ir trūkumų, tačiau atvirkščiai. Lazeriai yra jautresni atmosferos trikdžiams, bet kadangi jų bangos ilgis yra mikrometrų diapazone (ne centimetrų, kaip mikrobangų), „jūs galite daug labiau koncentruoti spindulį, todėl imtuvai gali būti nedideli... lazeriu pagrįsto kosminio spindulio siuntimo į kosmosą imtuvo ekvivalentas yra dešimtys metrų“, - sako Sweeney.

Dar yra „Goldilocks“ zona, kurioje bangos ilgis nėra per mažas, bet ir ne per didelis. Būtent čia atsiranda JAV įsikūrusi bendrovė „Reach Power“, nes jos energijos siuntimo technologija remiasi radijo bangomis milimetrų diapazone.

„Manau, kad mūsų naudojimo atvejis bus mažesnis nei 25 kilometrų atstumas“, - sako ‚Reach Power‘ generalinis direktorius Chrisas Davlantesas. Nors ji nepakeis šimtų kilometrų ilgio perdavimo linijų, ji galėtų būti tinkama „miestovaizdžiui su robotais, robo taksi ar dronais danguje, arba paskirstytoms jutiklių platformoms, arba atsarginių generatorių pakaitalams“.

Šiuo metu elektros energijos siuntimas yra pasaulinio masto pastangos: JAV investuojama į kariuomenę, o Europoje - į žaliąją energiją. Azijoje susidomėjimą rodo telekomunikacijų bendrovės, o Japonija pirmauja kosmoso energijos siuntimo srityje. Kada, turint omenyje visas šias skirtingas taikymo sritis, energijos siuntimas pagaliau taps pagrindiniu?

Tai arčiau, nei manote.

Tokios įdomios technologijos kaip branduolių sintezės energija, skraidantys automobiliai ir kitos technologinės fantazijos visada atrodo, kad iki jų liko dar 30 metų. Tačiau tai negalioja energijos spinduliavimo atveju.

„Pirmieji, artimiausi naudojimo atvejai... yra tikrai mažos galios jutikliai“, - sako Davlantesas. „Daiktai, kurie gali būti maitinami beveik iš wi-fi tinklo.“ Tokios bendrovės kaip „Powercast“ ir „Wi Charge“ jau kuria technologijas, skirtas mažos galios jutikliams namuose ir mažmeninės prekybos vietose. Keletas pavyzdžių: išmanusis apšvietimas, judesio jutikliai ir artumo jutikliai. Įsivaizduokite, kad einate prekybos centrų alėjomis su dinamiškais ekranais, kurie gali būti atnaujinami nuotoliniu būdu - visa tai veikia iš energijos šaltinio, įrengto lubose virš galvos.

Tačiau, kaip ir dauguma šiuolaikinėje istorijoje sukurtų technologijų, pirmieji jų taikytojai greičiausiai bus tokios įstaigos kaip JAV kariuomenė, kuri gali suvalgyti bet kokį energijos vartojimo neefektyvumą ar sąnaudas, nes energijos tiekimo poreikis yra labai didelis. Tai ypač vertinga nepertraukiamam karinių bepiločių orlaivių veikimui arba labai reikalingos technikos maitinimui mūšio lauke.

Efektyvumas - tai obsesija, kuria vadovaujasi EMROD, dirbanti su komunalinių paslaugų partneriais Naujojoje Zelandijoje ir visame pasaulyje, kad išbandytų savo energijos siuntimo technologiją. Bendrovė teigia, kad jos siųstuvų ir imtuvų sistema gali pasiekti 95 proc. efektyvumą - ir žino, kaip pasiekti 99 proc. efektyvumą.

Galiausiai EMROD nori sukurti pasaulinį elektros energijos tinklą, įskaitant būdus, kaip aprūpinti energija atokias bendruomenes, neturinčias gerų elektros jungčių. Šis kosminis tinklas, pavadintas Pasauline energijos matrica, iš esmės naudotųsi palydovų žvaigždynu, kuris rinktų nepertraukiamą saulės energiją, perduotų šią energiją tarp palydovų ir siųstų ją į bet kurią pasaulio vietą, kur jos reikia.

Japonijos kosmoso agentūrą JAXA šis potencialus energijos šaltinis taip motyvuoja, kad iki 2030-ųjų ji tikisi turėti kosminę elektrinę orbitoje, kuri tiektų vieną gigavatvalandę elektros energijos - maždaug tiek, kiek per metus pagamina komercinis branduolinis reaktorius.

Net jei tokie kosminiai taikymai vis dar gali būti tik „už kampo“, žemiškosios energijos spinduliavimo svajonės gali išsipildyti. Technologija pakankamai gera, pakankamai pigi, o pradinis skepticizmas, kuris iš pradžių buvo apėmęs šią pramonės šaką, blėsta.

„Iš pradžių... klausimai, kurių sulaukdavau pirmosiomis dienomis, buvo susiję su „tai neįmanoma... tai niekaip neveiks“, - sako Davlantesas. „Didžiausi pokyčiai, kuriuos pastebėjau net per pastaruosius penkerius metus... yra tai, kad dabar žmonės tiki, jog tai tikra.“