4 июля, на базе Института ядерной физики в Новосибирске начала свою работу научная конференция, посвященная синхротронному излучению лазеров на свободных электронах. Ученые рассказали журналистам, для чего нужны подобные лазеры и как благодаря им в перспективе смогут работать космические спутники.
«У нас ведутся исследования и по синхротронному излучению, и по лазеру на свободных электронах, – рассказал доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заведующий научно-исследовательской лабораторией ИЯФ СО РАН Николай Винокуров. – В Институте ядерной физики функционирует лазер на свободных электронах. На самом деле их три, и все они особенные. Лазеры дают инфракрасное излучение в разных диапазонах длин волн. И мы уже в течение нескольких лет работаем с этим излучением с научными пользователями из институтов Академгородка и других мест России. Это называется Центр коллективного пользования. В этом году мы провели эксперименты, более-менее успешные, на нашем новом лазере на свободных электронах, последнем из трёх. Это уникальный источник излучения, который мы создали сами. Такого нигде больше нет. Мы планируем улучшать параметры, хотя они и так рекордные по сравнению с мировыми достижениями. Поэтому у наших пользователей эксклюзивная возможность для проведения экспериментов».
Новосибирский лазер на свободных электронах (ЛСЭ) состоит из трёх ускорителей, называемых очередями:
Первая очередь — однооборотный ускоритель-рекуператор с энергией электронов 12 МэВ
Первой очередь Новосибирского ЛСЭ была запущена в 2002 году. На сегодняшний момент это самый мощный в мире источник терагерцового излучения и ускоритель-рекуператор с наивысшим средним током.
Электроны из электронной пушки проходят через «группирователь» (группирующий ВЧ-резонатор), пустой промежуток, два резонатора, набирая энергию 2 МэВа, основную ускоряющую структуру, набирая ещё 10 МэВ, и ондулятор, в котором часть энергии электронов переходит в излучение. После этого, пучок возвращается в основную ускоряющую структуру в замедляемой фазе ВЧ-резонаторов, теряет энергию до начального значения (около 2 МэВ) и поглощается в поглотителе пучка.
Вторая очередь — двухоборотный ускоритель-рекуператор с энергией электронов 22 МэВ
ЛСЭ второй очереди был запущен в 2009 г. Получено когерентное излучение в диапазоне длин волн 40 — 80 микрон со средней мощностью около 0,5 кВт, что является мировым рекордом в этом диапазоне. В 2010 году излучение второго ЛСЭ выведено на существующие пользовательские станции. На ближайшее будущее запланированы повышение мощности излучения и оптимизация магнитной структуры с целью уменьшения потерь пучка из-за энергетического разброса, который появляется в результате взаимодействия с излучением ЛСЭ.
Ускоритель второй очереди — первый в мире двухоборотный ускоритель-рекуператор заряженных частиц. Установка использует ту же ускоряющую систему, что и первая очередь. Выбор режима работы осуществляется включением/выключением поворотных магнитов.
Третья очередь — четырёхоборотный ускоритель-рекуператор с энергией электронов 42 МэВ
22 мая 2012 года получена первая рекуперация электронного пучка на третей очереди — первого в мире четырёх оборотного ускорителя-рекуператора.
В 2013 году получена 95% рекуперация и средний ток 3.2 мА на частоте повторений 3.75 МГц.
В настоящий момент на установке продолжается установка оптического резонатора для генерации излучения и настройка режимов электроннооптической структуры.
Ондуляторы третьей очереди
Первая очередь расположена в вертикальной плоскости, а вторая и третья — в горизонтальной. Они используют одну и ту же ускоряющую структуру, состоящую из нормальнопроводящих резонаторов. Выбор режима работы осуществляется включением или выключением поворотных магнитов.
На сегодняшний день, запущены ЛСЭ первой и второй очереди. ЛСЭ третьей очереди находится в процессе сборки.
Общий вид установки
Принцип работы лазера на свободных электронах
Принцип работы лазера на свободных электронах основан на генерации релятивистского излучения в специальном устройстве — ондуляторе, состоящем из последовательно установленных знакопеременных магнитов.
Параметры ускорителя
Максимальный средний ток полученный на ускорителе-рекуператоре первой очереди Новосибирского ЛСЭ до сих пор является рекордным в данном классе машин. Вторая и третья очереди — первые в мире многооборотные ускорители-рекуператоры. Параметры установки представлены в таблице.
Параметры излучения
Средняя мощность терагерцового излучения, получаемая на Новосибирском ЛСЭ, является рекордной в этом диапазоне длин волн. В Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения работы с терагерцовым излучением выполняют 20 групп из 12 научных организаций Новосибирска, Москвы и Южной Кореи. Параметры излучения представлены в таблице.
«Для нас создание мощных лазеров на свободных электронах имеет и ещё одну важную направленность. Речь вот о чем: число космических спутников для коммуникаций постоянно растет. При этом у спутников есть определенное ограничение по электропитанию. Так, солнечные батареи дают примерно 10 киловатт. Если же спутники питать с Земли излучением, например инфракрасным, то можно сделать так, чтобы этому спутнику было доступно 100 киловатт мощности. Если сделать несколько лазеров на свободных электронах, мы сможем получить новый качественный скачок в развитии космической связи. Мощные лазеры на свободных электронах имеют практическую ценность. Использование солнечной энергии спутниками можно сравнить с парусной энергией. Какие были хорошие парусники ни были, как бы они быстро ни ходили, всё равно победили пароходы. Почему? Потому что активный двигатель. Если мы можем обеспечить спутники энергией мощности с Земли с помощью лазеров на свободных электронах, у нас появляются совсем новые возможности, как при появлении пароходов во времена парусников», – пояснил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заведующий научно-исследовательской лабораторией ИЯФ СО РАН Николай Винокуров.
Полный цикл по внедрению технологии питания спутников лазерами обойдется примерно в 1 млрд рублей. Найдутся ли инвесторы, готовые вложить такую сумму в перспективный проект, — покажет время.
Сайт ИЯФ СО РАН
academ.info
ТАСС
На этом всё, с вами был Dronk.Ru. Не забывайте возвращать деньги за покупки в Китае и подписываться на наш блог, будет ещё много интересного.
Рекомендуем:
— Экономим до 8% с каждой покупки на AliExpress и других интернет-магазинах Китая
— Почему интернет-магазины отдают деньги за покупки?
— Верните свои деньги — Выбираем кэшбэк-сервис для Aliexpress
— История развития Dronk.ru — от выбора квадрокоптеров до возвращения денег за покупки на AliExpress и не только
— Лучший кэшбэк сервис или 5 основных критериев оценки кэшбэк-сервиса
Комментарии (31)
prostofilya
07.07.2016 12:48а можно лазером сжигать космический мусор? или вытолкнуть его куда-нибудь)
Black_Shadow
08.07.2016 11:50Если только вы баллон с кислородом до объекта доставите. А так — будет греться, плавиться, но не гореть.
uterr
07.07.2016 12:57+11>>предложили подзаряжать орбитальные спутники связи с помощью лазера на свободных электронах
Это очень интересно, рассказали что такое лазеры на свободных электронах, но как с помощью них передавать энергию на спутники, с каким КПД? В чем будет преимущество над другими типами лазеров?
Это же самое интересное, и не описано вообще…Zenitchik
07.07.2016 15:54Тема такая, на спутнике устанавливаются фотоэлектрические батареи (считай те же самые СБ) специально заточенные чтобы иметь высокий КПД при освещении лазером определённой длины волны. Поскольку лазер монохромный или почти монохромный, то для таких батарей можно добиться большего КПД, чем для солнечных батарей. А сами они могут иметь меньший размер при той же выдаваемой мощности.
Черток писал, что таким образом большой спутник с большими СБ мог бы подзаряжать малые спутники с батареями для лазера, во время сближений с ними.
Eklykti
07.07.2016 19:40-2Угу, вот только на разработке всех этих лазеров, системы слежения, специальных батарей будет попилено столько, что хватит на туеву хучу спутников с обычными батареями. А ещё всё это понадобится поддерживать и обслуживать.
DronkRU
07.07.2016 17:04Вопрос понятен и естественен, но, увы, техническая информация относительно способа передачи, параметров эффективности и прочих существенных параметров, имеющих отношение к обсуждаемой здесь работе группы Виноградова в открытых источниках не найдена.
vadimzz
08.07.2016 00:27+1И в общем-то, никаких параметров эффективности до первых испытаний они сами не узнают, скорее всего. Можно лишь предположить, что КПД будет >=0.
Zenitchik
08.07.2016 01:02В случае космоса важнее не КПД передачи, а удельная мощность приёмника. Если при той же массе приёмник способен принять большую мощность, чем СБ — это выгодно.
wmtoolsnet
07.07.2016 15:31-1Самое интересное, каким образом этот лазер будет наводиться.
На таком расстоянии, при такой толщине луча, этот редуктор должен будет иметь шаг шестеренок в микрометры.
lonelymyp
07.07.2016 15:54редуктор не особо и нужен, есть способы отклонять луч не используя шестерёнки.
vordoff
07.07.2016 16:59«Партнеры» подскажут, у них есть соответствующие технологии. Они еще в 60-х умудрялись с помощью секстанта прицеливаться с орбиты Луны и без корректировок попадать в атмосферу Земли под нужным углом.
fivehouse
07.07.2016 15:35Волны длиной 5-20 мкм это дальний ИК диапазон. И только они проходят сквозь атмосферу. Волны длиной 40-240 мкм будут почти полностью поглощаются атмосферой. И КАК ИК излучением они собираются заряжать спутники?
Zenitchik
07.07.2016 15:45+1Ага. Уже лет 10 как решили. Даже в сборник Чертока «Космонавтика 21 века» эта тема вошла.
shteyner
07.07.2016 18:39Лазеру это круто, вот только что делать с лишним теплом? Придется брать с собой большие холодильники, которые, в купе с наземными станциями всю выгоду сожрут.
Zenitchik
07.07.2016 19:15То же, что делается с лишним теплом, полученным от Солнца. Ещё не факт, что лазерный нагрев окажется сильнее.
nikolaynag
08.07.2016 10:14Это способ питания на случай если Солнце погаснет что ли? Спутники связи вроде как неплохо солнышком освещены и проблем с питанием там вроде как нет.
А вообще лазеры на свободных электронах — дорогущий и крутейший исследовательский инструмент, использовать их для решения задачи передачи электрической энергии — это еще менее эффективно, чем микроскопом гвозди забивать. Для мирных энергетических задач есть куда более дешевые и эффективные лазерные источники.Zenitchik
08.07.2016 13:40Масса. Если приёмник лазерного излучения окажется легче СБ — будет экономия массы спутника.
QWhisper
08.07.2016 19:16Ну так тут не только приемник, тут и передатчик, его построить надо, нужна компания которая его обслуживает, у этой компании будут лимитированные мощности, так что будет что нибудь в духе — можем вам продать только 5 минут в сутки освещения лазером. Дальше вопросы наведения, как всегда еще облака вспоминают, дальше проблема в духе, а если сломался передатчик? теряем сотню спутников или ставим в каждый по аккумулятору? а на какой срок?
Мне кажется у нас на орбите нет потребности в таких источниках энергии, вот если бы передатчик мог питать спутник у Марса, или на дальних рубежах, тогда да, офигенная штука, там проблемы с солнечным излучением, и чтоб решать требуются затраты.
yurdoss
11.07.2016 12:16Я конечно понимаю куда идут мысли Института Ядерной Физики, они обладают уникальной установкой и знаниями чтобы прокачать её дальше… Но ребята, можно ведь поступить проще. В контексте передачи энергии на спутник гораздо выгоднее смотрится микроволновая передача. Серийные магнетроны от микроволновки — компактные устройства с мощностью от 800 вт и более с неплохим КПД, казалось бы возьми пару десятков таких, поставь в паралель и подводи мощность к облучателю 10 метровой тарелки. Нехватает магнетронов, частота не та, когерентное излучение необходимо, тогда МАЗЕРы вам в помощь. Приёмник на спутнике проще, ректена под необходимую длинну волны изготовить не великая проблемма, ограничения по подводимой мощности почти отсутвуют, так как узкополосная антенна и качественные свч диоды имеёт кпд близкий к 100%. Можно подумать и дальше. Вместо параболического рефлектора использовать ФАР ( ru.wikipedia.org/wiki/Фазированная_антенная_решётка ) и одновременно работать далеко не на один спутник, современные ФАР позволяют пропускать через себя относительно большие мощности, а при грамотном проэктировании, где ненужно будет гнаться за компактностью устройства, и хорошем охлаждении, так и вовсе гигантские. Таким передатчиком можно будет самолёты с земли подзаряжать :) Или «орбитальные дерижабли» — стратостаты на высоте 20-30 км с коммуникационным оборудованием, такой стратостат будет получать энергию с земли, часть её использовать для коррекции своего положения в стратосфере, а часть для оборудования которое может быть самым разным, многоканальная БС (используя всю туже АФАР) для раздачи интернета, пинги низки скорости высоки, телевизионный ретранслятор, оборудование пожарной охраны МЧС в виде ик камер и спектроанализатров для поиска пожаров, великие возможности для ГИС разного вида, так как появляется возможность видеть огромные площади в реальном масштабе времени и с огромным разрешением. Так же поставив несколько стратостатов в цепочку, можно получить линк в масштабах всей страны. Для примера дальность связи с летающим аппаратом ограничена кривизной земли и на высоте в 30 км с земли она будет составлять около 600 км, связь между двумя аппаратами следовательно около 1200 км, цепочка из 10 штук обеспечит связь на 12000 километров, от Калининграда до Владивостока. И теперь спрашивается, а так ли нужна эта спутниковая связь с её дороговизной вывода, с ценой и ограниченность самих спутников, если тоже самое можно сделать малой кровью на земле. Просто повод задуматься. P/S Если есть у кого либо есть конструктивная критика по всему мной сказанному, или какие либо дополнения, то всегда готов обсудить.
dfgwer
«Случайно» подзарядить другой спутник
horlon
Или «подзарядить» летящий мимо обьект (птицу или самолет).