Сказка - ложь?

Почти все чудеса, манившие нас в детстве, давно «материализованы». Мои дети уже годам к пяти сказки про ковры-самолеты и чудо-зеркальце слушали со снисходительной улыбкой людей, летавших на авиалайнерах и свободно манипулирующих кнопками телевизора. И в книгах Жюля Верна они ничего необычного не находят - мечта стала явью. А иногда - жаль! Скучно жить без волшебства. Но то, что мне довелось услышать на одной из презентаций, можно назвать настоящей сказкой.

Презентация была посвящена исследованиям в области беспроводной передачи электрической энергии (БПЭ), проводимых НАСА. Вообще говоря, эксперименты в области БПЭ ведутся различными странами, и об их результатах периодически сообщается на собраниях 1-й Исследовательской комиссии по радиосвязи Международного союза электросвязи. В конце 2000 года о своих достижениях доложили представители Лаборатории реактивного движения НАСА (Ричард Дикинсон, richard.m.dickinson@jpl.nasa.gov) и штаб-квартиры Национального управления по аэронавтике и исследованию космоса (Джон Манкинс, jmankins@hq.nasa.gov).

Технология БПЭ, заключающаяся в использовании искусственно созданного электромагнитного излучения для переноса энергии на некоторое расстояние, по твердому убеждению ее приверженцев, станет инструментом удовлетворения постоянно растущих потребностей в источниках энергии, транспортной магистралью для передачи на Землю энергии Солнца. Но это в будущем. А пока предпринимаются попытки решения более простых задач, например поставок энергии на самолеты (своего рода «дозаправки» в воздухе), стратостаты и спутниковые платформы.

Сто лет назад

Собственно, сказка эта началась с опытов Генриха Герца, проводившихся в 1887 году. Не имея других способов доказать существование электромагнитных волн, он воспользовался довольно грубым инструментом контроля — искровым генератором (известным ныне как вибратор Герца).

Чуть позже, в 1899 году, Никола Тесла, интересовавшийся, кроме всего прочего, и проблемами радиофизики, пытался передавать электричество на расстояние 32 км для освещения фермерских построек в Колорадо-Спрингс. Будучи электроэнергетиком, Тесла считал главной областью применения радиоволн передачу именно энергии, а не информации. К тому же в те времена тезис «кто владеет информацией, тот владеет миром» был не столь актуальным, как сегодня. Однако развитие науки пошло по пути передачи сигнала. И пока бурно развивалось радио, о других возможностях использования БПЭ вспоминали нечасто. Вероятно, сейчас раскручивается новый виток спирали, заставляющий нас по-иному взглянуть на идеи столетней давности.

В 30-40-е годы получили широкую известность опыты по бесконтактной передаче электроэнергии советских ученых В. П. Вологдина и Г. И. Бабата. Популярные научно-технические журналы 40-летней давности (такие как «Техника молодежи», «Знание-сила») пестрели картинками светлого будущего, в котором электромобили будут получать питание от индукционных катушек, расположенных под асфальтовым полотном. Затем сенсационная шумиха вокруг этих экспериментов потихоньку улеглась, и о дальнейшей их судьбе широкой публике ничего не известно.

Снова вспомнили о БПЭ лет 20 спустя. Первая успешная демонстрация произошла в городке Вэлтхам (шт. Массачусетс) в 1964 году. В течение суток в радиолуче частотой 2,45 ГГц подавалось питание на электрический мотор, который вращал лопасти винта кордовой модели вертолета, висящей на высоте 18,3 м. Для формирования такого луча использовался эллиптический рефлектор диаметром 1 м. Эксперимент был предпринят вовсе не из «спортивного» интереса: как и многие другие, это изобретение начинало свой путь с военного применения — на борту вертолета располагался высотный радар.

Следующее заслуживающее внимания событие зарегистрировано в 1969 году. В ходе эксперимента электроэнергия, собранная в радиолуч с частотой 2,45 ГГц, передавалась к небольшому электрокару - луч при этом еще и управлял его движением, как бы ведя на поводке вслед за точкой максимального излучения.

Опыт был продолжен в 1992 году. Высокоэффективную приемную антенну площадью почти 1 кв. м установили на электрокаре, передвигавшемся под управлением энергетического радиолуча с частотой 5,8 ГГц. Данный агрегат предполагалось использовать в качестве лунохода. Надо сказать, что эта идея продолжает жить и поныне. В настоящее время испытывается прибор под названием Moonstruck Rover («Бешеный Ровер»), который, по замыслу его создателей, послужит для исследования не освещаемых Солнцем кратеров Луны, получая по радио энергию от солнечных аккумуляторов, расположенных на освещенной поверхности Луны.

Все последующие работы 70-х и начала 80-х годов имели целью создание дополнительных источников для сети энергоснабжения. В ходе экспериментов увеличивались передаваемая мощность и расстояния, исследовались характеристики сигналов, особенности сред распространения и различные технологии передачи энергии от оборудованных солнечными батареями геостационарных спутников на Землю.

В 1983 году японские исследователи объявили об успешном эксперименте по передаче энергии от одного спутника к другому в радиолуче с частотой 2,45 ГГц, созданном при помощи обычного магнетрона (такое устройство - часть любой бытовой СВЧ-печи).

В 1987 году в Канаде был продемонстрирован 40-минутный полет модели самолета, источником энергии которого стала пара пятикиловаттных магнетронов, генерирующих сигнал частотой 2,45 ГГц. Канадский эксперимент являлся составной частью проекта разработки стратосферной платформы, которую планировалось использовать в качестве площадки для установки базовых станций наземной сети связи. В 1988 году поток энергии мощностью 400 Вт, который сосредоточивался в радиосигнале с частотой 35 ГГц, был направлен на небольшую антенну, установленную на стационарной модели платформы с телекоммуникационным оборудованием на борту. Расстояние передачи составило 21,3 км.

В 1993 году в Японии состоялась демонстрация передачи энергии самолету: луч с частотой 2,41 ГГц формировался при помощи твердотельной фазированной антенной решетки. В дальнейшем эту технологию намечалось также использовать для подачи питания к стратосферной платформе. Годом позже японские специалисты провели испытания модели устройства (мощность излучения — 5 кВт), которое обеспечивало передачу энергии с материка на острова в радиолуче с частотой 2,45 ГГц. В 1996 году на французском острове Реюньон были проведены испытания установки, работающей на частоте 2,45 ГГц. Она предназначалась для передачи энергии через ущелье с целью электрификации удаленных зданий.

Наконец, в июле 2000 года лаборатория реактивного движения НАСА (Калифорния) поставила опыт по передаче электроэнергии при помощи радиосигнала частотой 7,167 ГГц. Его результаты будут использованы в последующих запусках и при эксплуатации межзвездных зондов, передвигающихся под действием лучей БПЭ (часть полученной энергии станет обеспечивать питание систем жизнеобеспечения космического корабля и подзарядку его аккумуляторов).

Можно только догадываться, в каких еще областях найдут применение возможности БПЭ. Пока ученые интересуются передачей электроэнергии Земля — Земля, Земля — воздух, Земля — космос, Земля — космос — Земля, космос — Земля и космос — космос. Уровни передаваемой мощности, дальность передачи и диапазон радиочастот, несомненно, определяются областью применения БПЭ.

Земля — Земля

Передача энергии из одной точки Земли в другую может быть экономически оправданной, когда расстояния и потребности в энергии сравнительно невелики. Примеры? Навскидку приведу целых четыре.

1. Передача энергии через тонкое препятствие (скажем, стену или окно) в том случае, когда есть желание использовать некий наружный электроприбор, например электронный термометр, а дырки для проводов сверлить не хочется (лень или жалко портить стену). Кстати, большинство приборов скрытого наблюдения, более известных под названием ни в чем не повинных насекомых, получают питание именно таким образом.

2. Доставка дополнительных объемов энергии в те места, которые по каким-то причинам оказались недоступными. Скажем, это может понадобиться во время суровой зимы, непогоды или после стихийного бедствия.

3. Электроснабжение временных площадок с оборудованием, расположенных на острове или в полярном регионе, на которых либо трудно обеспечить запасы гигантского количества дизельного топлива, либо нельзя нарушать экологию, либо и то, и другое вместе.

4. БПЭ может оказаться весьма полезным способом непрерывной подачи энергии в территориально ограниченные районы, в которых рельеф местности и/или климат затрудняют использование обычных источников энергии.

Очень привлекательна идея применения БПЭ для питания электромобилей, родившаяся в 1994 году. Предлагалось передавать энергию для зарядки аккумуляторов по бесконтактной схеме: с передатчиков, вмонтированных в дорожное полотно с определенным шагом, луч попадает на антенны, которые устанавливаются под шасси электромобилей. В ночное время аккумуляторы заряжаются при помощи передатчика, вмонтированного в пол гаража. Мне эта идея очень нравится — и не надо тратить время на заправку, и руки бензином не пахнут.

Системы передачи электроэнергии из одной точки Земли в другую через спутник исследовались в том же 1994-м. Луч от земного передатчика отражался зеркалом, установленным на геостационарном спутнике, и возвращался на земной приемник. Энергия транспортировалась от гидроэлектростанции в Бразилии (12 ГВт) до морской платформы, находящейся поблизости от Винеярда (шт. Масачуссетс), — на расстояние 7520 км. Выбор морской платформы понятен. Только представьте себе, что может произойти при отклонении луча хотя бы на сотую долю градуса! Помните, у Алексея Толстого: «При трехтысячной температуре расплавятся и глины, и гранит».

Одной из перспективных областей применений является передача энергии, которую создают газовые турбины, размещенные вблизи морских газовых месторождений. Прокладывать газопроводы в таких условиях очень трудно или даже невозможно, а вот передать на береговые приемные устройства радиолуч (через ретранслирующее зеркало на борту высотного дирижабля или иного воздушного судна) куда проще.

Земля — воздух

Приложения этой категории часто рассматриваются как первый этап «ярусной стратегии» создания спутников, работающих исключительно на солнечной энергии. Другие применения БПЭ - уже упоминавшиеся стратосферные платформы, не имеющие на борту запасов топлива. К блоку решений беспроводной транспортировки электроэнергии Земля — воздух принадлежат и новые способы, в которых используются лазеры. Таким способом в 1995 году в Японии была осуществлена передача энергии на самолет, находящийся в длительном полете.

Земля — космос

К этой категории обычно относят только лазерные системы БПЭ, работающие в участках электромагнитного спектра вблизи видимого излучения. Наиболее простой является лазерная система БПЭ для подачи энергии от наземных источников на спутники связи, находящиеся в области космической тени. Уже проведен ряд экспериментов, в которых рассматривалась возможность использования земных лазерных установок для подачи питания на лазерно-электрические двигательные установки (LEPS) космических аппаратов, переходящих с одной орбиты на другую (c низкой на ГСО или с одной из земных орбит на лунную). А чем не сказка — проект лазерной передачи с Земли на лунную поверхность энергии, предназначенной (фантастика!) для электрификации лунных поселений, появление которых предсказывается в обозримом будущем! Для столь широкомасштабных приложений и мощности должны использоваться соответствующие.

Космос — Земля

Здесь намереваются применять уже ставшие классическими спутники с солнечными батареями, передающие энергию в различные точки земной поверхности при помощи БПЭ. Концепция была предложена еще в начале 70-х для геостационарных спутников. Согласно одному из рассматривавшихся вариантов, единственный, но очень большой (5 ГВт) геостационарный спутник, аккумулирующий солнечную энергию, должен снабжать энергией один мегаполис на Земле. Позже в ходе различных исследований были разработаны альтернативные архитектуры таких систем, включая развертывание спутниковой группировки на гелиостационарной и средневысотной орбитах.

Еще один сказочный сюжет — проект Lightcraft (от английских слов light — свет и craft — корабль). Летательный аппарат Lightcraft должен переносить людей и грузы с Земли на орбиту, получая по радиолучу от спутника солнечную энергию, которую тот аккумулирует. Заметим, что несмотря на всю свою фантастичность, это реальный проект, ибо на него в США выделены вполне конкретные средства.

Кажется, жить стало уже не так скучно.

Космос — космос

Для космических целей приемлемы самые разные варианты передачи энергии. Как вам, например, такие проекты:

• передача энергии от центральной «космической станции энергоснабжения» на космические аппараты, расположенные на околоземных орбитах (например, на платформы, на которых ведется высокоточная обработка материалов и где строгие требования к микрогравитации не позволяют задействовать обширные солнечные батареи);
• транспортировка энергии от космических станций энергоснабжения на космические же транспортные средства (зарегистрировано, в частности, изобретение по использованию геостационарного спутника с солнечными батареями для подачи энергии на межзвездные зонды);
• передача энергии для проведения исследований в атмосфере Марса и на его поверхности, включая развертывание спутника с солнечными батареями на планетарной орбите Марса в целях передачи аккумулированной там энергии на поверхность планеты;
• передача энергии межзвездным исследовательским экспедициям.

Размеры бедствия

На первый взгляд, все достаточно просто: радиосигналы БПЭ информации не несут, следовательно, модулировать их не надо, всевозможные прибамбасы типа помехозащищенного сверточного кодирования и многоуровневой модуляции — не про них. Это узкополосные, в идеале - одночастотные однородно поляризованные сигналы. Однако они часто не имеют фиксированного положения в пространстве, поскольку либо следуют за передвигающимися объектами, которым предназначается энергия, или сами создаются подвижными источниками.

Но главная беда в другом: мощности очень велики. Для того чтобы система была экономически привлекательной, необходимо обеспечить настолько большую энергию луча (десятки ГВт), что уровни шума, которые обычно являются несущественными, становятся серьезной проблемой для пользователей спектра в соседних полосах частот. Типичные уровни (на 70 — 90 дБ ниже максимума) уже не будут достаточно низкими! Поэтому приходится заново продумывать «мелочи», с которыми современная радиотехника, работающая со связными сигналами, уже научилась справляться.

Например, про интермодуляцию сегодня вспоминают разве что студенты институтов связи, готовящиеся к экзамену по теории нелинейных цепей. Действительно, использование современных методов фильтрации и обработки сигналов порой позволяет совсем забыть о том, что при смешивании в нелинейном устройстве нескольких сигналов на его выходе появляются сигналы суммарных и разностных частот, которые называются продуктами интермодуляции (ИМП). Если ИМП не отделены от основного сигнала и их амплитуды не уменьшены в процессе фильтрации, они получают неплохой шанс оказаться усиленными и излученными передатчиком, а значит, стать помехами. При этом нелинейными устройствами могут быть не только усилители мощности, смесители приемников, преобразователи вверх/вниз, но и заржавевшие металлические, или вполне нормальные биметаллические контакты, а также многое другое.

Понятно, что двумя смешиваемыми сигналами, «попавшими» на подобную нелинейность, могут оказаться радиочастотный сигнал передачи энергии и любой иной радиосигнал. Качество радиопередачи в таком случае нетрудно представить.

Но это — далеко не все. По пути к земным приемникам энергетический луч будет проходить сквозь ионосферу и атмосферу. На частотах ниже 1 ГГц луч достаточной энергии может создать нелинейности в ионосфере, что не замедлит отразиться на работе средств ВЧ-связи.

В истории радиосвязи описан случай, получивший название люксембургско-горьковского эффекта, или двойной модуляции. В 20-е годы нашего столетия, когда радиостанций было еще не очень много, работали себе два мощных КВ-передатчика: один в городе Горьком, а другой - аж в герцогстве Люксембург. Но стали вдруг радиослушатели замечать, что в принимаемых ими сигналах появились необычные помехи. Об их происхождении гадали немало, и в конце концов выяснилось следующее. «Встречаясь» где-то на неоднородностях ионосферы, сигналы этих передатчиков перекрестно модулировали друг друга и в таком «обогащенном» виде возвращались на Землю. К счастью, на более высоких частотах проблема двойной модуляции не настолько остра.

Дальше — хуже. Атмосфера может содержать пары воды, кристаллы льда, капли дождя, град, облака и другие гидрометеоры. Эти элементы, взаимодействуя с энергетическим лучом, способны его рассеивать, деполяризовывать, отражать или поглощать часть радиочастотной энергии. В наихудших случаях все вышеперечисленное может даже при хорошей погоде привести к появлению неприемлемых помех в приемниках, за которыми ранее «такого не замечалось».

Как только луч достигает приемной антенны, некоторая его часть отражается. Величина этой части зависит от многих факторов, в частности, от степени согласования сопротивлений (нагрузки), эксплуатационного состояния антенного комплекса, уровня передаваемой мощности и т. п. Часть оставшегося луча в результате нелинейности процессов преобразования радиочастотного сигнала в постоянный ток «разбегается» в гармоники. И если хотя бы некоторые из гармоник переизлучатся, возникнут помехи работе других систем. Продукты интермодуляции, которые появились на ближайших частотах, могут пройти через цепи приемной антенны, а затем смешаться и перемножиться с энергетическим лучом, материализовавшись в виде суммарных и разностных частот (близких основной) на выходе фильтров приемной антенны. Частично этого удастся избежать с помощью узкополосных фильтров с крутыми срезами, но тогда придется смириться с вносимыми ими потерями.

К сожалению, реальных действенных мер по преодолению всех этих бед пока еще не существует — есть только некоторые инженерные идеи.

Поскольку, как уже было сказано, сигналы БПЭ не переносят знаков, символов или изображений, они должны занимать минимально возможный участок спектра. Если другим пользователям спектра будет известно точное значение частоты лучей БПЭ, они смогут избежать возможных «неприятностей» в данной области спектра. Например, системы со скачкообразной перестройкой частоты можно запрограммировать так, чтобы они эту частоту «перепрыгивали».

Если энергетические лучи должны приниматься на Земле, то потребуется организовать специальную охранную зону вокруг приемных антенн. В противном случае, решив послушать радио вблизи точки прицеливания луча, вы не будете застрахованы от попадания его «краешка» на вход приемника. А уж после этого придется нести приемник в мастерскую, или сразу отправляться в магазин за новым.

Еще одна серьезная проблема — пересечение энергетических лучей космическими аппаратами или воздушными судами. Считается, что этого можно избежать при помощи координации и уточнения расписания их движения, однако бывают ведь и непредвиденные, срочные вылеты, а также полеты вне расписания. Значит, потребуются специальные обзорные радары, позволяющие обнаруживать такие объекты и отслеживать их движение. Один из проектов предполагает разработку системы датчиков. Если самолет или спутник окажется вблизи зоны, через которую проходит луч, датчики включат систему оповещения об опасной зоне и установят связь со службами управления воздушным движением или космическими полетами. В результате к моменту вхождения самолета или спутника в зону луча передача энергии будет остановлена.

«Весь секрет в том, чтобы послать нерассеивающийся луч», — провидчески заметил герой романа А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Вот и для нас это весьма актуально. Но для того чтобы радиолуч, сформированный на орбите, попадал в небольшое «пятнышко» на Земле, размер передающей антенны должен быть очень большим. Известно, что диаметр среза луча, содержащего примерно половину транспортируемой мощности, равен фокусному расстоянию антенны, поделенному на ее диаметр и умноженному на длину волны. Например, при передачи энергии на Землю с ГСО (~ 37 500 км) на частоте 2,45 ГГц (длина волны ~12 см) диаметр среза луча по уровню половинной мощности для антенны диаметром 1000 м составит примерно 4600 м. Для антенны геостационарного спутника диаметром 500 м при использовании частоты 5,8 ГГц диаметр пятна половинной мощности на Земле равен 3900 м. Если вести передачу на частоте 5,8 ГГц, скажем, с Земли на стратостат (21 км) с помощью антенны диаметром 90 м, то размер пятна будет чуть большим 12 м.

Поскольку расстояние до геостационарной орбиты есть величина неизменная, то чтобы не строить километровые антенны, можно использовать более высокие частоты. Но на этих частотах увеличиваются потери из-за распространения сигнала в атмосфере Земли (поглощение и рассеяние). Причем в плохую погоду, то есть именно тогда, когда особенно важно надежное снабжение электроэнергией, такие потери оказываются особенно велики.

В США с начала 1999 финансового года открыта программа экспериментальных исследований «технологий накопления и передачи солнечной энергии из космоса» — Space Solar Power Exploratory Research and Technology (SERT). Она предусматривает изучение технологий, которые могут потребоваться в будущем для разработки и развертывания широкомасштабных систем накопления и передачи солнечной энергии из космоса, включая БПЭ. В задачи той части проекта SERT, которая ориентирована на БПЭ, входит проведение предварительных работ для экспертного подтверждения правильности ключевых аспектов данной концепции. В плане проекта сказано, что реализация БПЭ может привести к появлению экономически привлекательных и коммерчески жизнеспособных рынков радиочастотных и лазерных приложений БПЭ, таких как Земля - космос, космос - космос и космос - Земля. Кроме того, создание подобной инфраструктуры позволит НАСА продолжить работы в области межзвездных исследований.

Никто не спорит с тем, что сказки, ставшие былью, позволяют нам жить лучше. Но вспоминая слова академика Е. П. Велихова о том, что ядерную энергию когда-то считали мускулами цивилизации, но она может оказаться раковой опухолью, понимаешь как трудно совладать с мощью, предлагаемой сказочными технологиями. К сожалению, «мускулы» человечества растут быстрее, чем «мозги». Мы не всегда знаем, чем обернется завтра сегодняшнее достижение, а после периодов чистой радости от технологического прорыва нередко проходят десятилетия, прежде чем человечество осознает его последствия.

Так может, стоит прислушаться к словам Конька-Горбунка из детской сказки и оставить идею в покое еще лет на сто?