Американцы передали 1,6 киловатт по воздуху на один километр
Инженеры научной лаборатории ВМС США продемонстрировали беспроводную передачу энергии мощностью 1,6 киловатт на расстояние в километр с помощью микроволнового излучения. В будущем технологию можно будет использовать для передачи энергии из космоса на Землю, отмечается в пресс-релизе лаборатории.
Американские инженеры в 1970-х годах активно работали над технологиями, необходимыми для беспроводной передачи энергии из космоса. Предполагалось, что это позволит построить на орбите солнечную станцию, которая сможет эффективно вырабатывать энергию и передавать ее на Землю. В 1975 году NASA провело самую успешную демонстрацию такого подхода на сегодняшний день: они сумели наладить беспроводную передачу на расстояние чуть более полутора километров мощностью более 30 киловатт. И хотя передача оказалась достаточно эффективной (более 82 процентов), для этого пришлось использовать принимающую антенну площадью 24 квадратных метра, а генерировала пучок радиоволн зеркальная антенна диаметром 26 метров. Таким образом, для передачи серьезного количества энергии на расстояние в сотни километров требовались бы намного большие антенны.
В последние годы американские инженеры, в основном военные, вернулись к этому направлению и стали проводить тесты усовершенствованных антенн. Так, в 2018 году ВВС США и Northrop Grumman начали разработку технологий для спутника, который мог бы дистанционно снабжать энергией удаленные военные базы. В прошлом году инженеры этого проекта показали прототип солнечной панели с интегрированной передающей антенной.
Разработкой технологий по беспроводной передаче энергии также занимается научная лаборатория ВМС США. Она рассказала об испытаниях излучающей и принимающей антенн. В качестве передатчика инженеры использовали обычную зеркальную антенну диаметром в несколько метров. Она генерирует узкий пучок электромагнитного излучения с частотой 10 гигагерц. Принимает радиоволны квадратная антенна из множества приемников, подсоединенных к выпрямляющим диодам для генерации постоянного тока. Эксперименты показали, что система способна передавать энергию на расстояние одного километра с пиковой мощностью в 1,6 киловатт.
В другом испытании инженерам удалось добиться меньшей пиковой мощности, но более стабильной передачи, которая позволила запитать большой массив светодиодов. При этом величина мощности, развитая в этом тесте, неизвестна. Инженеры отмечают, что их система работает в допустимом мировыми регуляторе диапазоне мощности, признанном безопасным для людей и животных.
Пока самые мощные прототипы радиочастотных систем передачи энергии работают на Земле, но некоторые уже тестируются в космосе. Известно, что в текущем полете беспилотного космоплана X-37B, начавшемся в мае 2020 года, испытываются некоторые компоненты такой системы, однако из-за секретности проекта подробности об этом неизвестны. Также существуют лазерные системы передачи энергии, но их мощность, как правило, составляет сотни ватт.
Теоретики рассказали, как телепортировать энергию на большие расстояния
Физики из Японии разработали новую теорию, согласно которой энергия может быть «телепортирована» на неограниченно большое расстояние. Учёные уже обдумывают, как реализовать подобное на практике.
Понятие телепортации хоть и пришло в мир науки из фантастических литературных произведений и фильмов, но всё же плотно укоренилось в заголовках научных статьей. Чаще всего термин «телепортация» применяется для описания экспериментов с так называемыми запутанными частицами. К примеру, два фотона (частица света) разведены по разным концам Вселенной. Они никак не контактируют физически, но абсолютно единовременно меняют состояние на противоположное своему партнёру. Сила, которая их связывает, до сих пор не изучена до конца, однако этот эффект вызвал массу значимых научных открытий.
В представлении научных фантастов телепортация есть мгновенное перемещение в пространстве без непосредственного движения. Человек или любой другой объект исчезает в одном месте и возникает в другом. В реальной жизни, конечно же, такого не происходит. Передаётся информация (от одной запутанной частицы к другой), и она явно переправляется быстрее, чем может идти сквозь пространство любой известный нам сигнал и уж тем более материальное тело. Физики уже научились телепортировать информацию на огромные расстояния.
Передачи энергии при этом не происходит. С 2008 года команда учёных из университета Тохоку в Японии во главе с Масахиро Хотта (Masahiro Hotta) занимается исследованием феномена телепортации энергии.
(иллюстрация Tohoku University).
Первичная теория физиков подразумевала использование преимуществ так называемых вакуумных состояний. Если говорить упрощённо, в случае телепортации энергии одна частица передаёт другой информацию о том, как извлечь энергию из вакуума. Но как достать энергию из ничего?
Хотта, основываясь на законах квантовой физики, предположил, что на самом деле вакуумные состояния не являются по-настоящему пустыми, в них то появляются, то возникают виртуальные частицы, некоторые из которых пребывают в состоянии той самой квантовой запутанности.
Напомним, согласно законам квантовой механики, количество значений в системе (например, в вакууме), которые могут быть измерены, ограничены. Но Хотта определил, что за счёт роста неопределённости одного значения уменьшается неопределённость другого значения в той же системе.
Чтобы проще было понять все эти сложные слова, представим себе, что связанные частицы — это некие Алиса и Боб, которые могут пообщаться по телефону и таким образом передать информацию. Если они находятся достаточно близко, то Алиса может провести измерение параметров окружающего пространства. Из этих данных можно с определённой долей вероятности определить, каковы параметры пространства, окружающего Боба. Алиса передаёт собранную информацию Бобу по классическим каналам связи (звонит по телефону). При этом Бобу уже не понадобится проводить свои собственные измерения, чтобы извлечь энергию из окружающего его вакуума.
Энергия, которую в результате получит Боб, всегда будет меньше, чем та энергия, которую потратит Алиса на измерения. Если рассматривать этот процесс с точки зрения термодинамики, то получается, что Алиса «телепортирует» энергию Бобу в форме информации, которая ему пригодится для извлечения энергии из окружающего вакуума.
Несмотря на всю правдоподобность, данная теория Хотта показала, что при попытке такой телепортации на большие расстояния «количество» энергии, которую можно передать, ощутимо падает. Чем дальше Алиса от Боба, тем сложнее ей оценить ситуацию вокруг него, да и телефонная связь начинает работать плохо (в реальности степень запутанности частиц уменьшается по мере роста расстояния между ними). Выходит, что на дальние расстояния энергию по тому же принципу не отправишь. Слишком уж велики будут первоначальные затраты энергии.
Однако в своей последней работе команда теоретиков дополнила свою идею новыми расчётами. Увеличить предполагаемое расстояние можно, по словам Хотты, путём использования свойств так называемого сжатого состояния.
При возникновении этого эффекта теоретически должно возникать больше пар частиц, движущихся сквозь вакуум. Среди них в свою очередь должно быть больше тех, что находятся в «прочном» состоянии квантовой запутанности. То есть их связь будет устойчивее, несмотря на большое разделяющее их расстояние. Главное, правильно выбрать сжатое состояние.
Учёные полагают, что подобная телепортация энергии имела место в ранней Вселенной, когда происходило её быстрое расширение.
На данном этапе работа находится исключительно на стадии теоретических расчётов, которые можно изучить, ознакомившись со статьёй, вышедшей в журнале Physical Review A (или её препринтом). Но исследователям не терпится проверить свои выкладки в лаборатории, что можно будет осуществить в ближайшие годы, например, при использовании двумерных полупроводников. Насколько практически значимой будет данная технология, покажет время. Вполне вероятно, что однажды она пригодится при разработке квантовых компьютеров.
Беспроводная передача энергии на 5 метров
Провода от многочисленных электронных устройств к розеткам захламляют многие квартиры. Приходится делать десяток розеток в каждой комнате, чтобы провода были не так заметны. Но если в массовое производство пойдёт изобретение группы физиков из южнокорейского университета KAIST, то достаточно будет одной розетки в каждой комнате. Все приборы будут получать питание от единого хаба, который передаёт энергию на расстояние до 5 метров.
В настоящее время самой совершенной технологией передачи энергии считается магнитно-резонансная система (Coupled Magnetic Resonance System, CMRS), разработанная в Массачусетском технологическом институте в 2007 году. Она обеспечивает передачу тока на расстояние 2,1 метра. С того времени и до сих пор ничего нового в этой области не изобретали, а сама CMRS столкнулась с некоторыми ограничениями, которые не позволили пустить её в массовое производство: например, сложная конфигурация катушек, большие размеры, высокая частота передачи и слишком высокая чувствительность к внешним помехам, таким как присутствие человека.
Учёные из Южной Кореи разработали новый передатчик электроэнергии — резонансную систему из дипольных катушек (Dipole Coil Resonant System, DCRS), работающую на расстоянии до 5 метров между приёмником и передатчиком. На первый взгляд, система лишена многих недостатков CMRS, здесь используются довольно компактные катушки 10х20х300 см, которые вполне можно незаметно вмонтировать в стены квартиры.
Общая конфигурация DCRS
Как показал эксперимент, на частоте 20 кГц максимальная выходная мощность составила 1403 Вт на расстоянии 3 метра, 471 Вт на 4 м и 209 Вт на 5 м. При работе с мощностью на 100 Вт кпд равняется 36,9% на 3 м, 18,7% на 4 м и 9,2% на 5 м. То есть технология вполне позволяет запитывать даже современные большие ЖК-телевизоры (40 Вт) на расстоянии 5 метров с помощью беспроводной передачи. Другое дело, что из электросети будет при этом «выкачиваться» 400 ватт, но зато никаких проводов.
Даже при низком кпд технология всё равно полезна в некоторых исключительных ситуациях. Например, в марте этого года группа корейских физиков сумела передать 10 Вт на контрольное оборудование, аналогичное установленному на атомной станции в Фукусиме, на расстоянии 7 метров.
- резонансная система
- дипольные катушки
- Dipole Coil Resonant System
- DCRS
- кпд
Передача электроэнергии на большие расстояния
Передача новостей на большие расстояния всего пару сотен лет назад казалась чем-то из области фантастики. Время почтовых голубей, издревле использовавшихся римлянами, персами, и египтянами, прошло после изобретения телеграфной связи. С уверенностью можно сказать, что с передачей энергии на большие дистанции в те же периоды истории дела обстояли гораздо хуже. Проводники с высоким сопротивлением, низкое напряжение, серьезная коммерческая борьба за использование постоянного тока – лишь некоторые из факторов, тормозивших развитие электрических систем и сетей.
Ни для кого не секрет, что энергетику можно назвать достаточно консервативной отраслью. Если сравнивать скорость развития тепло- и электроэнергетики с прогрессом в информационных технологиях за одинаковые периоды времени, то разница чувствуется особенно резко. Окружающие нас сенсорные дисплеи с ультравысоким разрешением, искусственный интеллект, повсеместный и универсальный доступ к сети Интернет заметно развились с начала этого столетия. Однако опоры линий электропередачи (ЛЭП) до сих пор несут на себе тысячи километров сталеалюминиевыех проводов, перегрузки предотвращаются автоматическими выключателями, не сильно изменившимися за последние 70 лет. Суперпроводники, работающие при комнатной температуре, так и остались артефактами на страницах научных журналов и научно-популярной литературы. Чем же вызвана кажущаяся неповоротливость энергетики? Какие факторы на это влияют? И как вообще происходит передача электроэнергии на большие расстояния? Обо всем по порядку.
Как отмечалось выше, исторически сложилось, что изначально сторонников передачи электричества с использованием постоянного тока было больше. Такой перевес не был обусловлен точными расчетами, имела место пропаганда в СМИ и реклама. Почему же сейчас в контексте передачи электроэнергии мы слышим лишь о переменном токе?
Все начинается с электростанций. И для производителей, и для потребителей электроэнергии экономически выгодно иметь один централизованной источник энергии, а не множество разрозненных. От таких центров питания финансово целесообразно прокладывать ЛЭП к потребителям. Как известно, мощность (а в каждый момент времени по проводам передается именно мощность) равна произведению напряжения на ток. Для получения одной и той же мощности можно либо увеличить ток и снизить напряжение, либо сделать наоборот.
Случай с низким напряжением и высоким током очень неэффективный, при такой стратегии потери электроэнергии на длинных ЛЭП могут составлять 60 и более процентов. Случай с высоким напряжением и низким током гораздо более выгодный. При использовании постоянного тока увеличение уровня напряжения составляет серьезную проблему, а вот с переменным этого добиться очень просто. Трансформаторы – это электрические машины, преобразующие электрическую мощность с низкого напряжения в мощность с высоким напряжением. Чем длиннее ЛЭП, тем под более высоким напряжением находятся ее провода. Кроме того, бесчисленное количество заводов и предприятий используют электродвигатели. Двигатели постоянного тока в сравнении с двигателями переменного тока безусловно проигрывают: их КПД ниже, в них больше трущихся частей, их конструкция сложнее. Поэтому большинство электродвигателей в мире – это двигатели переменного тока.
Теперь, зная ответ на вопрос, почему победа осталась за переменным током, можно взглянуть на энергосистему с большей высоты. Различные электростанции в разных уголках планеты производят электричество. Говоря упрощенно, от электрогенераторов на станциях провода тянутся к трансформаторной подстанции (ТП), повышающей напряжение до 35, 110, 330, или 750 кВ. Провода на опорах оттуда тянутся к потребителям – в города и на заводы, где напряжение снова понижается на понижающих ТП до уровня, необходимого потребителю. Это напряжения в 0.4, 1, 10 кВ. Точка, в которой соединяются две и более ЛЭП, называется электрической подстанцией. Таким образом различные электростанции одной страны связываются в одну энергосистему, а энергосистемы разных стран – в объединенную энергосистему.
Трансформатор на подстанции
Передача энергии на большие расстояния – это всегда вопрос компромисса. Что выгоднее: строить новую электростанцию или прокладывать ЛЭП от существующих станций на огромное расстояние? Например, суммарная протяженность ЛЭП в Беларуси на начало 2019 года составляла почти 280 000 км. Где и как строить линию электропередачи? При монтаже опор огромное значение играет рельеф местности и характер грунта, а также наличие населенных пунктов, дорог и деревьев.
От потребляемой мощности зависит напряжение сети. От мощности, напряжения, и, как ни странно, погоды зависит выбор проводов, изоляторов и опор. При строительстве энергоемких предприятий надо решить: питаться от существующей подстанции или монтировать ТП в цеху? В целом при строительстве объектов решается вопрос о категории электроснабжения, то есть нужно ли прокладывать резервные линии и если да, то сколько? Отдельный и сложный вопрос представляет собой устойчивость энергосистемы, то есть ее способность функционировать, когда пропадает питание от электростанций или ЛЭП вследствие запланированного ремонта или аварии.
На данный момент принимается множество решений для модернизации энергосистем, например, привычные провода заменяют на алюминиевые с композитным тросом вместо стального. Это уменьшает провис проводов, увеличивает безопасную зону вокруг ЛЭП и их надежность. В целом же человечество еще не вышло на революционно новые методы производства и передачи электроэнергии.
Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электроэнергетика находится на третьем месте после воздуха и воды. Миллионы километров проводов и кабелей смонтированы, огромные генераторы (диаметром до 16 метров) прочно закреплены на земной поверхности, это и объясняет вынужденную неповоротливость и стратегическую важность высоковольтной электроэнергетики.
Для обслуживания и проверки ЛЭП и электрических сетей существуют лаборатории электрофизических измерений. К таким, например, относится компания «ТМРсила-М», имеющая многолетний опыт работы в энергетике и сформированная из опытных специалистов.