Prąd przesyłany bezprzewodowo – przyszłość prowadzenia wojen

Amerykanie już od lat stoją w czołówce państw prowadzących nieustanny wyścig w rozwoju nowych technologii militarnych. Dlatego powstanie nowych źródeł zasilania oraz dystrybucji energii nie pozostaje dla nich obojętne i to oni wiodą prym w poszukiwaniu rozwiązań przyszłości w tym obszarze. Całość prowadzonych prac opera się na operacji Strategii Energetycznej Departamentu Obrony USA.

 Bezprzewodowy system przesyłu energii to program badawczo-rozwojowy realizowany  zgodnie z wymaganiami i przy wsparciu Pentagonu przez koncern Raytheon. Jego stworzenie gwarantuje Siłom Zbrojnym Stanów Zjednoczonych możliwość stworzenia zasadniczo nowych sieci dostaw energii. Pierwszy etap projektu obejmował przeprowadzenie szeregu badań w tym obszarze technologicznym, obecnie program przechodzi do fazy tworzenia i testowania sprzętu określanego jako eksperymentalny.

14 listopada ub.r. Raytheon ogłosił, że otrzymał nowy kontrakt od Departamentu Obrony, przy czym nie podano jego ścisłych warunków ani całkowitych kosztów. Wiadomo natomiast, że za nowy etap prac odpowiadał będzie Dział Zaawansowanego Rozwoju firmy. Ponadto Raytheon przedstawił główne cele i zadania, które zostaną osiągnięte w najbliższej przyszłości. Trzeba zaznaczyć, że koncern brał już udział w kilku projektach w tym obszarze, a teraz ponownie angażuje się w rozwiązywanie kolejnych problemów technologicznych.

Bezprzewodowy przesył energii

 Nowy kontrakt zobowiązuje firmę Raytheon do opracowania technologii, stworzenia prototypu oraz przeprowadzenia testów systemu bezprzewodowego przesyłu energii. Jak na razie zasada jego działania nie została jeszcze wyjaśniona. Ale zgodnie z wymaganiami wojska musi on być kompatybilny z uzbrojeniem i systemami wsparcia eksploatowanymi przez Siły Zbrojne USA.

 W opublikowanym komunikacie prasowym przedstawiono ogólne cele nowego projektu. Tak więc za pomocą systemu bezprzewodowego przesyłu energii planuje się uproszczenie systemu zasilania przede wszystkim dla żołnierzy. Ma to być możliwe bez konieczności zbudowania tradycyjnej linii zasilania. A to z kolei pozwoli zmniejszyć ilość wykorzystywanych źródeł (generatorów)  lub całkowcie je wyeliminować. Kolejne korzyści to zmniejszone zapotrzebowanie na paliwo, co znacznie odciąży logistykę. Ponadto zmniejszone zostanie ryzyko związane z uszkodzeniem/zniszczeniem zapasów przechowywanego/magazynowego paliwa.

W 2022 roku Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych (DARPA) ogłosiła rozwój programu POWER, którego celem jest stworzenie nowych systemów dostaw energii. Nazwa programu odzwierciedla jego cele i założenia - akronim POWER oznacza bowiem Persistent Optical Wireless Energy Relay. W ramach tego projektu DARPA planuje znaleźć sposoby przesyłania energii elektrycznej „bezprzewodowo” za pomocą technologii optycznych.

Wstępne badania zakończyły się w połowie ubiegłego roku. Do tego czasu została sformułowała podstawowa koncepcja projektu, na podstawie której zaplanowano, że w kolejnych latach powstaną rzeczywiste urządzenia i narzędzia służące temu celowi (druga faza). Pierwotnie planowano je przetestować, a następnie, po potwierdzeniu zakładanych parametrów, wprowadzić do eksploatacji próbnej.    

 We wrześniu 2023 roku program POWER wszedł w kolejny etap. DARPA zdecydowała się kontynuować prace i ogłosiła konkurs na stworzenie realnego sprzętu. Zgłoszenia do udziału w konkursie złożyły firmy Raytheon, Draper i BEAM Co. Te podmioty zaproponowały wstępne projekty na podstawie własnych opracowań.

 W ramach ogłoszonego konkursu te trzy firmy muszą opracować projekty i zbudować systemy demonstracyjne nowej technologii. Zasilacze nowej generacji będą testowane w warunkach laboratoryjnych, a następnie - po pomyślnych badaniach - również na poligonie. Okres prób wyniesie do 20 miesięcy i powinien zakończyć się do końca pierwszego kwartału 2025 roku.

 Uruchomienie kolejnej fazy programu POWER jest planowane na początek przyszłego roku. Jego uczestnicy będą musieli budować mobilny sprzęt do dostarczania energii i zademonstrować go na stanowisku testowym. Tym razem eksperymentalne systemy będą przesyłać energię zarówno do odbiorców stacjonarnych, jak i mobilnych platform lotniczych. Można przypuszczać, że niedawny kontrakt, który otrzymał Raytheon, ma bezpośredni związek z wynikami pierwszego etapu konkursu POWER i stanowi przygotowanie do przejścia do jego kolejnej fazy. Bowiem niektóre informacje zawarte w komunikacie prasowym firmy o otrzymaniu zamówienia pośrednio potwierdzają tę wersję.

Wracając do agencji DARPA, to ujawniła ona główne idee programu POWER. Wynika z nich, że do bezprzewodowego przesyłu energii będzie wykorzystywana wiązka lasera. Stwarza to konieczność zbudowania specjalnych środków nadawczo-odbiorczych, a także, jeśli okaże się to konieczne, pośrednich wzmacniaczy. Są to urządzenia, nad którymi aktualnie pracują uczestnicy konkursu.

System POWER musi pozyskiwać energię elektryczną z istniejących sieci lub z generatorów o odpowiednich charakterystykach, a ta z kolei musi być doprowadzona do nowego systemu przesyłowego. W istocie będzie to kompleks laserowy (nadajnik) z wystarczająco mocnym emiterem i środkami do prowadzenia wiązki. Taki nadajnik musi przekształcić energię elektryczną w światło i wysłać ją w pożądanym kierunku. Wiązkę należy przesłać do systemu odbiorczego wyposażonego w panele słoneczne i urządzenia do konwersji mocy. A do nich podłączone są urządzenia dystrybucyjne przesyłu energii pomiędzy odbiorcami końcowymi.

W systemie POWER znajdą się także wzmacniacze pośrednie. Ich zadaniem jest zwiększenie odległości przesyłu energii i kompensacja wynikająca z panujących w danym obszarze warunków terenowych. W szczególności wzmacniacze umożliwią wysyłanie energii poza horyzont. Zakłada się, że przemienniki będą budowane w oparciu o platformy powietrzne zdolne do długotrwałego lotu m.in. z możliwością zawisu w jednym miejscu.

Oferowane są dwie opcje wyposażenia docelowego. Pierwsza polega na zastosowaniu systemu ruchomych luster w celu przekierowania wiązki do odbiornika lub innego wzmacniacza pośredniego. Druga opcja sugeruje zastosowanie „pośrednich” paneli słonecznych i lasera.

Należy także wspomnieć, że  Biuro Podsekretarza Obrony ds. Badań i Inżynierii w ramach Poprawy Operacyjnych Możliwości Energetycznych sfinansowało projekt SCOPE-M (Safe and COntinuous Power bEaming – Microwave), którego celem było przetestowanie przesyłania energii elektrycznej przy użyciu mikrofal. Zasada działania polega na tym, że energia elektryczna jest najpierw zamieniana na mikrofale, a te z kolei zostają skupione do formy wąskiej wiązki w odbiorniku składającym się z elementów, w których skład wchodzi antena dipolowa pasma X oraz diody RF. Kiedy dochodzi do kontaktu między tymi elementami i mikrofalami, rozpoczyna się wytwarzanie prądu stałego. 

Wady i zalety

 Założenia zawarte w programie POWER w obecnej formie zapewniają szereg (już wyżej wymienionych) ważnych możliwości i korzyści, które przyciągnęły uwagę amerykańskich sił zbrojnych. Jednak nie jest on pozbawiony wad, których usunięcie (zdaniem specjalistów) będzie zadaniem odrębnym i dość trudnym. W związku z tym niektóre problemy proponowanego systemu mają charakter fundamentalny i trzeba będzie się z nimi zmierzyć. Główne trudności są związane z wykorzystaniem lasera. Musi on charakteryzować się dużą mocą, która w pełni zaspokoi potrzeby odbiorców energii. W takim przypadku wymagana jest też rezerwa mocy, aby zrekompensować nieuniknione straty podczas przechodzenia przez powietrze lub występujące w danym obszarze warunki atmosferyczne. Ostateczna wydajność i niezawodność takiego systemu może nie być wystarczająco wysoka.

Należy pamiętać, że skupiona wiązka o dużej mocy jest też niebezpieczna. Musi być wycelowana w odbiorniki z dużą dokładnością, w przeciwnym razie może dojść do uszkodzenia lub zniszczenia elementów składowych systemu lub obiektów zlokalizowanych w jego pobliżu. Ponadto nie należy oczekiwać, że laserowy system przenoszenia mocy będzie prosty i tani w produkcji i samej eksploatacji, a względem wskaźników ekonomicznych będzie górować nad  wszelkim alternatywnymi rozwiązaniami.

Podsumowanie

Departament Obrony USA od dłuższego czasu szukał niezawodnych i wydajnych sposobów przesyłania energii, w tym bezprzewodowo. Teraz DARPA i wybrane firmy podejmują kolejną próbę stworzenia nowej generacji systemu. W ramach programu POWER przeprowadzono już niezbędne badania i podpisano umowy na opracowanie rzeczywistych rozwiązań. Czy uda się pokonać problemy i stworzyć docelowy system o pożądanych wymaganiach, okaże się może już niedługo.