Коммерческая авиация обещает стать самым трудным направлением для декарбонизации. Ни сегодня, ни в обозримой перспективе нет источника энергии для самолётов, столь ёмкого, как ископаемое топливо. Альтернативой загрузке самолётов тоннами аккумуляторов или баками с опасным водородом могут быть беспроводные источники питания. Могут, но вряд ли ими станут — самолётам нужно очень много энергии, а её передача с земли на борт — это крайне нетривиальная задача.
Источник изображения: McKibillo/spectrum.ieee.org
В сетевом журнале IEEE Spectrum Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) — некоммерческой инженерной ассоциации из США — вышла, можно сказать, программная статья, посвящённая беспроводному микроволновому питанию коммерческих авиалайнеров. Автор заметки сразу признаёт, что «ничто из разработанного на сегодняшний день не может накапливать энергию так дёшево и плотно, как ископаемое топливо, или полностью удовлетворять потребности коммерческих авиаперевозок в том виде, в каком мы их знаем». Физика не запрещает использовать в авиации для передачи питания излучение. Препятствия могут быть технологическими или юридическими. Но другие альтернативы по снижению углеродного следа от самолётов кажутся ещё более провальными.
Передавать микроволновую энергию с земли на самолёт можно с помощью фазированной антенной решётки. Такая антенна способна электронным образом управлять направлением луча и фокусировать его с высокой точностью без необходимости в механических поворотных системах. Поскольку самолёт должен будет уверенно находиться в зоне видимости такой антенны, а Земля имеет форму шара, то располагать передающие антенны (решётки) необходимо примерно на удалении 200 км одна от другой. На море-океане, кстати, тоже, если мы захотим отправить самолёты с микроволновым питанием на другой континент. В случае полётов над горами антенны придётся располагать ещё гуще с учётом возможных помех. При этом каждая антенна будет вести самолёт на дальности до 100 км, после чего его подхватит другая по курсу.
Создание массива передающих антенн станет стройкой века. Средний авиалайнер с площадью фюзеляжа и крыльев около 1000 м2 будет способен нести на нижней части крыльев и корпуса приёмную антенну шириной около 30 м. С учётом наиболее оптимального для распространения в атмосфере излучения с длиной волны 5 см (оно ещё не такое короткое, чтобы поглощаться облаками и не слишком длинноволновое, чтобы требовать слишком большого приёмного элемента, равного половине длины волны), размеры передающей фазированной антенной решётки должны достигать 170 м. И так через каждые 200 км. Такое по плечу только государственным программам, но никак не частным. Много найдётся государств, готовых совершить такой подвиг? Китай не предлагать.
По уровню необходимого питания стоит сказать следующее. Во время взлёта самолёт Boeing 737 потребляет примерно 30 МВт энергии. Если мы сможем обеспечить энергию такой мощности, то она попадёт на выпрямляющую антенну (ректенну), которая должна быть изготовлена с учётом аэродинамики и встроена в нижнюю часть самолёта. Более того, максимальная передача будет происходить лишь тогда, когда самолёт будет пролетать над передающей станцией, а в остальных случаях энергия будет «бить» в переднюю и заднюю проекцию самолёта, преимущественно в кромки антенны, до предела повышая плотность передачи мощности на этих частях антенны.
Если брать в качестве примера Boeing 737 и его потребности, то на каждый квадратный сантиметр ректенны будет падать около 25 Вт. С учётом разнесения твердотельных приёмных элементов ректенны на 2,5 см (на половину длины волны), на каждый элемент будет падать около 150 Вт, что опасно близко к предельной плотности мощности любого твердотельного устройства преобразования энергии. Иными словами, пока нет твердотельных материалов, которые гарантированно и с запасом смогли бы обеспечить безопасный приём микроволновой энергии. Наконец, КПД подобных методов передачи энергии едва приблизился к 30 %, что заставляет усомниться в выгодах перехода на такую альтернативу ископаемому топливу.
Дальше, согласно прикидкам, электрическое поле вокруг самолёта будет обладать напряжённостью около 7000 В/м — всего в три раза слабее, чем в микроволновой печи. Корпус самолёта надёжно защитит пассажиров, а особенно любопытных — защитят металлические сетки на иллюминаторах, как на дверцах микроволновой печи. У птиц такой защиты не будет, но поскольку фокусирующий луч будет быстро перемещаться за самолётом, птицы просто не успеют приготовиться в воздухе. На это, как признаются разработчики передающих микроволновых систем, необходимо не меньше 10 мин. Экология особо не пострадает, но юристам компаний придётся это доказать пассажирам и законодателям.
Сомнения в целесообразности использования микроволнового излучения для передачи энергии на расстояния без проводов не мешают исследованиям в этой области. То же NASA и частные компании, а также академические учреждения проводят эксперименты с передачей микроволновой энергии из космоса. Этому способствует прогресс в области полупроводниковых технологий и твердотельных приёмных и передающих элементов. Если раньше это были громоздкие аналоговые приборы типа клистронов, то сегодня им на смену идут компактные полупроводниковые передающие платформы.
Так, в 2022 году стартап из Окленда Emrod продемонстрировал, насколько многообещающим может быть подход с использованием полупроводников. Компания провела в Германии демонстрацию для Airbus, излучив 550 Вт на расстояние 36 метров. По лучу было передано 95 % излучённой энергии, что намного лучше, чем с использованием клистронов или магнетронов. Определённо, в этом есть задел на будущее, если оно в этой сфере есть или будет.
Также остаётся подвешенным вопрос с помехами радиосигналам. Даже если микроволновый передатчик энергии сможет успешно преобразовывать 99 % волн в узкий луч, утечка 1 % всё равно будет в сто миллионов раз мощнее, чем разрешенная мощность радиосвязи в 5-см диапазоне (диапазон используется для космоса и радиолюбителей). Наверняка это не все проблемы с микроволновой передачей энергии, но даже этих достаточно, чтобы усомниться в реализуемости проектов.
К сожалению, другие альтернативы также имеют свои неустранимые недостатки. Самое перспективное из альтернативных видов обеспечения самолётов топливом — синтетическое или топливо растительного происхождения — обходится либо слишком дорого, либо оказывается вреднее в производстве, чем ископаемое. Поменять шило на мыло с увеличением ценника — это даже не бессмысленно. Это глупо. На этом фоне микроволновая передача энергии на самолёт уже не кажется безумным мероприятием. В конце концов, на заре авиации самолёты тоже считались уделом безумцев, а ведь взлетело! Во всех смыслах.