Elektryczność z wiązki laserowej: program badawczy DARPA POWER
Plany programu POWER. W pierwszym etapie przetestują przesył energii między obiektami naziemnymi, a następnie zaczną wprowadzać komponenty powietrzne
Armia Stanów Zjednoczonych, jak każda inna nowoczesna armia, jest w dużym stopniu uzależniona od dostaw energii elektrycznej. W zależności od lokalizacji jednostki i pododdziały pobierają energię elektryczną z istniejącej infrastruktury lub z własnych mobilnych elektrowni. W tym drugim przypadku dostawa paliwa może wiązać się z utrudnieniami i ryzykiem. W związku z tym od dłuższego czasu trwają poszukiwania nowych zasad wytwarzania lub przesyłu energii. Agencja DARPA prowadzi więc teraz program POWER, w ramach którego bada możliwość przesyłania energii za pomocą wiązki laserowej.
Energia bezprzewodowa
Na początku października 2022 r. DARPA po raz pierwszy ogłosiła rozpoczęcie nowego programu badań nad energią. Badanie nazwano Persistent Optical Wireless Energy Relay, w skrócie POWER.
Do czasu pierwszej otwartej wzmianki na temat POWER, specjaliści Agencji opracowali ogólną koncepcję i zidentyfikowali obszary do dalszych prac. Przyjęli również plan, który przewiduje kilka etapów rozwoju.
Jak sama nazwa wskazuje, celem programu jest znalezienie i rozwój technologii przesyłu energii „bezprzewodowo” za pomocą środków optycznych. Zakłada się, że przy odpowiednim poziomie rozwoju takie urządzenia będą w stanie zapewnić transmisję znacznych mocy na wymagane zakresy. Przy pomyślnym rozwoju projektu, w zakresie połączenia cech technicznych i eksploatacyjnych, system POWER powinien przewyższyć dotychczasowe metody i środki – naziemne linie elektroenergetyczne czy generatory diesla w połączeniu z cysternami.
Możliwe pojawienie się bezzałogowego repeatera
Program badań podzielony jest na kilka etapów. W pierwszym etapie wskażą fundamentalne możliwości rozwiązania głównego problemu, a także znajdą optymalne komponenty i środki. Kolejne dwa etapy przewidują dalszy rozwój i skalowanie tych technologii z dostępem do wskaźników pozwalających na wdrożenie systemu do eksploatacji.
Wiadomo, że jeden z działów agencji DARPA jest zaangażowany w program POWER. Nie wiadomo jeszcze, czy brały w nim udział inne organizacje i przedsiębiorstwa. Ponadto, ze względu na całkowitą złożoność postawionych zadań, Agencja nie może nawet podać przybliżonej daty zakończenia prac i ewentualnego rozpoczęcia eksploatacji gotowego systemu.
Aspekty techniczne
Program POWER proponuje opracowanie układu przesyłu mocy w oparciu o kilka elementów. Taki system powinien obejmować stację nadawczą i odbiorczą oraz, w razie potrzeby, przemienniki pośrednie. W zależności od konkretnych potrzeb klienta elementy systemu muszą mieć różne konstrukcje i właściwości.
Proponuje się zlokalizowanie stacji nadawczej w pobliżu źródła zasilania lub związanej z nim infrastruktury. Głównym elementem takiej stacji jest laser o wystarczającej mocy promieniowania i możliwości długotrwałej ciągłej pracy. Stacja musi przetwarzać energię elektryczną z sieci / z generatora na wiązkę laserową. Za pomocą odpowiedniej optyki proponuje się skierować wiązkę w stronę odbiornika.
Stacja odbiorcza z kolei musi przechwycić wiązkę laserową za pomocą swoich paneli słonecznych i przekształcić energię świetlną w energię elektryczną. Ponadto energia elektryczna może być rozprowadzana wśród konsumentów.
System stacji nadawczych i odbiorczych może działać tylko w zasięgu wzroku. Aby przesyłać energię na duże odległości, proponuje się włączenie do systemu przekaźników pośrednich. Będzie to swego rodzaju układ zdolny do odbierania wiązki laserowej i przesyłania jej dalej – w wyniku odbicia lub konwersji przez układ elektryczny.
Tak więc, tworząc system POWER, specjaliści DARPA i powiązane organizacje będą musieli rozwiązać kilka problemów inżynierskich o różnym stopniu złożoności. Na przykład stworzenie emitera laserowego dużej mocy z precyzyjnym prowadzeniem wiązki to bardzo realne zadanie. Szereg podobnych systemów wojskowych powstało w Stanach Zjednoczonych, a zdobyte doświadczenie pomoże w nowym projekcie. Stacja odbiorcza jest również dość prosta.
Największych trudności można spodziewać się przy tworzeniu repeaterów, a także platform dla nich. Mogą być one realizowane w oparciu o bezzałogowe statki powietrzne zdolne do długotrwałego przebywania w jednym miejscu i zapewniające transfer energii. Konieczne może być opracowanie zupełnie nowych UAV o pożądanych cechach i możliwościach.
Osobnym zadaniem jest opracowanie właściwego urządzenia do przekierowania wiązki do kolejnego repeatera lub do stacji odbiorczej. W tym celu chcą w przyszłości zastosować układy optyczne ze zwierciadłami i soczewkami zdolnymi do kierowania wiązki i dodatkowego jej ogniskowania. Jako rozwiązanie tymczasowe można zastosować system z panelem słonecznym i laserem.
Amerykański personel wojskowy uruchamia kompaktowy generator
Bez względu na sposób transmisji, system potrzebuje dokładnego prowadzenia wszystkimi środkami, pierwotnymi i pośrednimi. W przypadku pomyłki na jakimkolwiek etapie transmisji stacja odbiorcza straci wiązkę i pozostawi odbiorców bez prądu.
Testy i rozwój systemu POWER będą przebiegać w trzech etapach, w miarę pojawiania się nowych komponentów i urządzeń. Eksperymenty rozpoczną się więc od przesyłu energii elektrycznej między stacjami naziemnymi na ograniczoną odległość. Wtedy w testy wezmą udział nowe BSP. Prawdopodobnie na tym etapie zostanie zastosowana pośrednia konwersja wiązki na energię elektryczną i odwrotnie.
Wreszcie w trzecim etapie rozpoczną się testy całego systemu. Ze stacji nadawczej do stacji odbiorczej wiązka laserowa przejdzie przez układy optyczne pośrednich UAV. Oczywiście, jeśli możliwe jest stworzenie takich urządzeń o wymaganym poziomie wydajności.
Wady i zalety
DARPA rozumie, że koncepcja POWER ma szereg niedociągnięć, które utrudnią opracowanie pełnoprawnego projektu, a także nałożą ograniczenia na działanie gotowego systemu. Niemniej jednak planuje się kontynuację prac iw miarę możliwości ograniczenie wpływu negatywnych czynników.
Przede wszystkim źródłem problemów jest sama wiązka lasera. Przechodząc przez atmosferę traci moc. Ponadto zjawiska atmosferyczne i pogodowe mogą ją nawet zablokować. W konsekwencji niezawodność i efektywność takiej transmisji będzie niska. System transmisji laserowej, niezależnie od jego składu, nie może być używany na duże odległości.
Panele słoneczne w jednej z baz US Army
Precyzyjne systemy prowadzenia wiązki są ważne nie tylko dla działania systemu, ale także wpływają na jego bezpieczeństwo. W ramach POWER mają być użyte lasery dużej mocy zbliżone do tych stosowanych w systemach bojowych. W związku z tym chybienie przy kierowaniu wiązki jest zagrożeniem. Wiązka uszkodzi drona przekaźnikowego lub spowoduje uszkodzenie obiektów naziemnych.
Nawet po pomyślnym rozwiązaniu wszystkich problemów technicznych i pozbyciu się spodziewanych problemów, system POWER będzie skomplikowany i kosztowny. Koszt przesyłu energii będzie również na zbyt wysokim poziomie, co nie pozwoli na masowe jej rozmieszczanie i wykorzystywanie. Przy minimalnym koszcie całkowitym i jednostkowym utrzymanie generatorów diesla i cystern byłoby znacznie bardziej korzystne.
Wątpliwe przedsięwzięcie
W ten sposób agencja DARPA rozpoczęła naukowe i praktyczne badanie interesującej, ale wątpliwej koncepcji. Program POWER ma znaczenie techniczne i pomoże w tworzeniu ważnych i ekscytujących nowych technologii. Jednak pomyślne zakończenie prac i stworzenie działającego systemu przesyłu energii nie jest gwarantowane.
Prawdopodobnie program POWER przejdzie przez fazę badawczo-rozwojową, a nawet posunie się do testów poszczególnych komponentów. Jej dalszy rozwój stoi jednak pod znakiem zapytania. Oczekiwany stosunek cech technicznych, ekonomicznych i eksploatacyjnych takiego systemu jest na skrajnie niskim poziomie. Pentagon może po prostu nie być zainteresowany wynikami programu i nie wyrazić zgody na dalsze prace.
informacja