Ученые изучают возможность передачи энергии через атмосферу Венеры
Несколько недель назад группа ученых из Калифорнийского технологического института объявила об успешной передаче энергии с орбитального спутника на Землю. Энергии было не много, но она показала, что это возможно. В конце концов, мы сможем передавать энергию с солнечных спутников на Землю, делая солнечную энергию доступной практически в любом месте и помогая бороться с изменением климата. Но есть и другое потенциальное применение: питание наземных зондов на Венере.
Все знают о Венере. Он убил несколько посадочных модулей из-за сильной жары и сокрушительного атмосферного давления. Старый Советский Союз отправил на поверхность планеты серию зондов, и большинство из них потерпели неудачу. Самым успешным из них была Venera 13, которая выдержала чуть более двух часов при 457 ° C и подверглась давлению 9,0 МПа (89 стандартных атмосфер).
Несмотря на краткий, но значительный успех «Венеры-13», планета сохранила свои секреты, и мы возвращаемся на ее поверхность, чтобы раскрыть их. Вот почему НАСА хочет отправить посадочный модуль на поверхность в рамках своей миссии DAVINCI+ (исследование благородных газов, химии и визуализации в глубокой атмосфере Венеры).
Но есть вопрос, как привести в действие посадочный модуль на уникальной коварной поверхности Венеры, если предположить, что мы сможем построить такой, который не будет легко поддаваться неприятным условиям Венеры. Обычные методы — солнечная энергия, батареи, радиоизотопные термоэлектрические генераторы — не справляются с этой задачей. Об этом говорится в новом исследовании под названием «Возможность излучения энергии через атмосферу Венеры», опубликованном в журнале Acta Astronautica под авторством Эрика Брэндона из Лаборатории реактивного движения.
«Современные космические энергетические технологии, включающие солнечные батареи, батареи и радиоизотопные термоэлектрические генераторы, не способны работать на поверхности Венеры из-за высоких температур, высокого давления и агрессивной среды», — объясняют авторы.
Венера находится ближе к Солнцу, но ее толстая атмосфера означает, что мало солнечного излучения достигает поверхности. Около 75 % солнечной энергии отражается облаками Венеры, и только около 2,5 % солнечного потока, падающего на верхние слои атмосферы, достигает поверхности. Над облаками солнечная энергия в изобилии. Венера получает в два раза больше солнечного излучения в верхней части своей атмосферы, чем Земля в верхней части своей атмосферы.
Может ли эта обильная энергия быть использована солнечными коллекторами над облаками, а затем направлена на посадочный модуль/марсоход? Это должно было сделать это через много густых облаков. «Осуществимость такого подхода и других связанных с ним концепций миссии обсуждаются здесь с точки зрения атмосферного поглощения и рассеяния излучаемой энергии», — говорится в документе.
Передача энергии из одного места в другое называется беспроводной передачей энергии (или мощности). Есть два типа: ближнего поля и дальнего поля. Ближнее поле — это передача энергии на короткие расстояния, аналогичная той, что используется в зарядных устройствах для мобильных устройств. Передача энергии в дальней зоне также называется передачей мощности, и в ней используются микроволны или лазеры для передачи энергии от производителя к приемнику.
Одной из проблем с передачей энергии от орбитального солнечного коллектора наземному транспортному средству являются сложности на геостационарной орбите Венеры. Планета вращается так медленно, что геостационарная орбита находится на большом расстоянии от планеты, что делает орбиту нестабильной. Каким-то образом солнечный коллектор должен быть ближе к планете. Над верхними облаками, на высоте около 60 или 70 км, коллектор, по сути, будет получать весь доступный солнечный свет. При разработке миссии может потребоваться удерживать коллектор или группу коллекторов на нужной высоте и в нужном положении.
Альтернативное решение состоит в том, чтобы направить часть энергии на посадочный модуль на каждой орбите, чего может быть достаточно. «Сотни Втч (Ватт-часов) энергии могут быть получены в течение нескольких орбитальных проходов посадочного модуля», — поясняют авторы.
Но это более серьезные проблемы общей архитектуры миссии. Это исследование предполагает, что есть решения этой проблемы. В этой работе авторы сосредотачиваются на том, как излучать энергию и получать ее, что еще не было тщательно изучено. «Однако на сегодняшний день не было проведено тщательного исследования возможности передачи мощности на соответствующих длинах волн, если бы можно было разработать и внедрить подходящую платформу и архитектуру миссии», — пишут авторы.
Проблема в том, что атмосфера Венеры плотная и содержит химические вещества, которые мешают мощному излучению микроволн. Особую проблему представляют концентрации CO 2.
Лазеры могут быть лучшим вариантом. Несмотря на то, что существуют проблемы с плотной атмосферой, в атмосфере есть определенные «частотные окна», которые могут позволить излучать энергию лазерами. «Вопреки здравому смыслу, излучение энергии через лазерные источники может быть возможно на Венере, несмотря на непрерывное облачное покрытие, учитывая определенные оптические/инфракрасные «окна», присутствующие в атмосфере Венеры, которые недоступны при использовании излучения микроволновой мощности», — пишут авторы.
У лазеров есть и другие преимущества, такие как меньшее рассеивание луча по сравнению с микроволнами. Это означает, что приемные антенны не должны быть такими большими. Однометрового приемника может быть достаточно, и он не будет настолько громоздким, чтобы слишком сильно мешать конструкции спускаемого аппарата.
В то время как солнечная энергия находится в изобилии в верхних слоях атмосферы Венеры, излучение ее через всю атмосферу может быть не лучшим подходом. Вместо этого воздушный шар или какое-либо другое транспортное средство может находиться в середине атмосферы. Там он будет получать достаточно солнечной энергии, чтобы это было возможно, и ему нужно будет только излучать энергию через часть атмосферы.
Исследования показывают, что высота 47 км имеет большое значение. На этой высоте есть основание облака, а ниже него излучаемая энергия меньше рассеивается. Это также показывает, что с 47 км самый высокий коэффициент передачи приходится на 1022 нанометра, где около 20% излучаемой энергии достигает поверхностного посадочного модуля.
«Эти расчеты указывают на правдоподобный подход к передаче мощности на Венеру с использованием передачи с воздушной платформы, работающей вблизи нижней границы облаков», — пишут авторы.
Но существует ли технология для этого? В документе не обсуждается, какой тип транспортного средства или платформы можно использовать на высоте 47 км. Они сосредотачиваются на самом силовом луче. Но они также говорят о доступных лазерных технологиях и о том, соответствуют ли они поставленной задаче.
По словам исследователей, у нас пока нет подходящего типа лазера.
Однако исследователи заняты их разработкой. Волоконные лазеры, легированные иттербием (YDFL), которые работают в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR), которые также могут работать при высокой мощности, находятся в стадии разработки. К сожалению, они не работают на идеальной длине волны для использования на Венере: 1022. Вместо этого они ограничены двумя другими диапазонами: 970–980 нм и 1030–1100 нм. Но лазеры находятся в центре внимания различных исследователей по всему миру, и прогресс неуклонен.
Задача удержания какой-либо воздушной платформы в устойчивом и правильном положении имеет решающее значение для любой миссии с энергетическими лучами. Но исследователи уже работают над воздушными шарами и другими воздушными платформами для использования на Венере. Предполагая, что они могут быть разработаны, авторы уверены, что сценарий с мощным излучением сможет справиться с задачей и создать успешные миссии на поверхность Венеры.
«Кроме того, хотя существуют инженерные проблемы и проблемы проектирования миссии, связанные с управлением и наведением такой платформы летательного аппарата, используемой для передачи мощности и общего управления температурой, этот анализ показывает, что эти оптические окна могут быть использованы для обеспечения достаточных уровней мощности, необходимых для выполнения миссии. быть направленным на поверхность Венеры», - пояснили исследователи.
Нам нужно лучше понять атмосферу Венеры, прежде чем можно будет разработать конкретную систему. DAVINCI+ преследует три основные научные цели, и одна из них — изучить атмосферу во время ее прохождения через нее.
Его выводы помогут ученым понять, с какими препятствиями они сталкиваются при передаче энергии на поверхность планеты. Если это удастся сделать надежно, Венера будет открыта для исследования.
Обсудим?
Смотрите также:
