Накачанный солнцем

Установка, созданная учеными из Узбекистана, позволяет получить лазерный луч с помощью солнечной энергии

Накачанный солнцем

Экономический кризис 1990-х годов нанес серьезный удар по научным организациям республик Средней Азии – часть специалистов уехала, часть сменила род деятельности, многие программы были свернуты. Однако разговоры о коллапсе науки в Средней Азии преувеличены. Недавно узбекские ученые представили уникальную установку, способную совершить прорыв в сфере использования солнечной энергии, преобразуя свет в лазерный луч. О том, как узбекским специалистам удалось опередить коллег из других стран и каково практическое значение разработанного ими оборудования, рассказывает ведущий научный сотрудник Института материаловедения АН Республики Узбекистан, кандидат физико-математических наук Абдухаким Фазилов.

Лазер в фокусе

– Господин Фазилов, могли бы вы вкратце рассказать, как возникла сама идея получения лазерного излучения от солнечной энергии?

– Идея создания солнечного лазера восходит к началу 60-х годов прошлого века, ко времени изобретения самих лазеров. Первоначально твердотельные лазеры возбуждали с помощью мощных ксеноновых ламп, которые потребляли огромное количество электроэнергии. Тогда же и родилась идея – почему бы не использовать для этого схожую, но бесплатную солнечную энергию? Были начаты первые эксперименты с небольшими параболическими зеркалами. Естественно, полученное лазерное излучение было слабым. Самым высоким достижением в этой области пока остается разработка лаборатории возобновляемых источников энергии из Колорадо. Доктор Дэвид Дженкинс на четырехметровом солнечном концентраторе в середине 90-х годов получил непрерывный лазерный луч мощностью 57 ватт.

Главное – мы научились преобразовывать солнечную энергию в лазерную. При этом на нашей установке стандартные лазерные элементы функционируют нормально

В нашей стране есть сорокаметровый мегаваттный концентратор. Идея получить с его помощью лазерный луч увлекла меня еще в самом начале 90-х. Но тогда на исследования не было средств. Реализовать идею удалось только в начале 2000 годов. Благодаря гранту на сумму под 300 тысяч долларов, полученному от украинского Центра науки и технологий, мы запустили проект «Разработка оптимальной технологии прямого преобразования солнечной энергии в лазерное излучение». В 2004 году начались работы по непосредственному осуществлению идеи на практике. При координации Института материаловедения АН РУз, со мной как с менеджером над проектом работала группа ученых, инженеров и техников из 26 человек. Работы велись совместно с Институтом ядерной физики АН Узбекистана и НПО «Академприбор». Эксперименты по получению лазерного излучения были осуществлены на большой солнечной печи (БСП) Института материаловедения.

– Что собой представляет концентратор?

– Концентратор – это главный элемент так называемой большой солнечной печи. Инициаторами разработки БСП были академики Садык Азимов и Тухтаполат Рискиев. Под руководством этих людей печь строилась с участием всего Союза. Это был второй по счету и первый по мощности солнечный концентратор в мире. Объект строился 10 лет и был запущен в 1987 году. Он был построен для испытания особо прочных, термостойких материалов в экстремальных условиях, возникающих под воздействием мощных радиационных потоков при ядерных взрывах. На нем успешно провели эксперименты по испытанию особо прочных материалов для узлов и обшивки космической системы «Энергия-Буран». Параллельно проводились опыты по плавке, синтезу особо чистых материалов.

Принцип работы БСП: главный элемент объекта – параболически вогнутое мозаичное зеркало (собственно концентратор) размером в десятиэтажный дом, напротив которого каскадом расположены 62 больших, также мозаичных отражателя солнечных лучей, которые от восхода до заката следят за движением Солнца и проецируют его свет на зеркало. Оно концентрирует эту световую энергию, собранную с площади более 2,5 тысячи квадратных метров в своем фокусе размером около 40 сантиметров. Нам удалось преобразовать часть этой энергии в лазерный луч.

– С какими трудностями пришлось столкнуться в процессе работы?

[inc pk='1978' service='media']

– Надо было подбирать материалы, которые могут выдержать тепловую нагрузку солнечной энергии, собранную с огромной площади. Ведь любой материал в этих условиях нагревается до нескольких тысяч градусов. Необходимо было снять лишнее тепло, чтобы обеспечить непрерывную работу лазера в рабочем режиме. Для этого пришлось проделать множество расчетов, провести эксперименты, моделирующие реальную ситуацию. Это заняло почти две трети срока реализации проекта. Нормального охлаждения узлов и элементов преобразовательного стенда – так мы его называем – удалось добиться за счет использования мощных потоков обычной воды. Охлаждение самой нежной и чувствительной части – активного элемента лазера – осуществляется дистиллированной водой, циркулирующей по замкнутому кругу. Процесс теплосъема контролирует компьютер. Электронному мозгу также поручено следить и за количеством поступающей от Солнца лучистой энергии в зависимости от погодных условий и экологической ситуации. Ее оказалось вполне достаточно для преодоления энергетического порога, при котором лазерный стержень из монокристалла алюмо-иттриевого граната, активированного редкоземельным элементом неодимом, начал испускать мощный узкий пучок света длиной волны в 1,06 микрона.

Сегодня на одном стержне длиной 15 сантиметров диаметром 5 миллиметров алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом, удалось получить мощность около 50 ватт. Я повторяю, на одном стержне. А мы можем установить несколько десятков таких элементов. Умножьте – и получите большую мощность. И это при использовании пока всего одной трети плотности мощности концентратора. Если мы будем использовать всю мегаваттную мощность для накачки, можно получить до 10 киловатт общей мощности лазерного излучения.

– Каково практическое значение разработки?

– Лазерное излучение, в отличие от других видов излучений, помимо одноцветности и синхронности волн имеет еще одну особенность – очень большую плотность. Направленная энергия лазера позволяет передавать излучение на очень большие расстояния. Естественно, луч можно применять для передачи больших потоков информации. Но самое главное, что в перспективе возможно использование лазера для выработки энергии и ее передачи на дальние расстояния. Особенно если иметь в виду, что известные земные источники энергии уже на исходе, а Солнце будет светить еще миллиарды лет. Потенциал солнечного лазера возрастет в разы, если вывести его на орбиту. На Земле невозможно стационарно получать и использовать энергию Солнца: планета постоянно вращается, сменяются день и ночь, мешает непогода. В космосе эти проблемы снимаются. Если развернуть там большие концентраторы из легких и динамичных полиэтиленовых отражательных пленок, в их фокусе можно создать мощнейшие лазеры. Для чего? Один из вариантов – адресная передача энергии туда куда нужно.

Отмечу, что вывести на орбиту элементы и узлы солнечного лазера, собрать их там будет стоить очень дорого. Доставка на орбиту килограмма груза обходится в 10 тысяч долларов. Для проведения подобных работ наш БСП очень удобен. Кстати, постройка подобного концентратора стоит не менее 100 миллионов долларов.

– Каковы перспективы использования солнечного лазера в будущем?

– Пока доказана возможность получения самого мощного лазера непрерывного действия. Намереваемся обрабатывать полученные экспериментальные результаты, искать партнеров для дальнейших разработок в этом направлении. Рассматриваем возможность коммерческого использования нашего проекта. Например, возможно создание многоцелевых модулей лазерных преобразователей солнечной энергии.

Главное – мы научились преобразовывать солнечную энергию в лазерную. При этом на нашей установке стандартные лазерные элементы функционируют нормально. Конечно, нам не хотелось бы, чтобы работы остановились на этом уровне. Мы возлагаем большие надежды на возобновление деловых контактов с российскими учеными и научными центрами, в частности космической направленности. Ученые многих стран мира работают над созданием новых видов лазерных генераторов. Сейчас ведем переговоры с японскими учеными, которые работают над созданием более эффективных керамических аналогов уже использованных нами монокристаллов алюмо-иттриевого граната.

– А что это даст?

– Мы сможем подвергать солнечной накачке все более эффективные активные элементы для получения лазерного излучения большей мощности. Сейчас японские специалисты из Центра тонкой керамики в городе Нагоя под руководством доктора Икесюи ведут работы по созданию керамики алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом. Они намного дешевле в изготовлении, чем их монокристаллические аналоги, и в перспективе должны подешеветь еще больше. Керамические активные элементы принимают в себя активирующие элементы по-другому и в больших количествах. Это позволяет говорить о том, что у керамического активного элемента, легированного неодимом, КПД превращения солнечного излучения в лазерное будет в несколько раз выше.

В то же время космические державы, в частности Россия, в ближайшем будущем будут работать над развертыванием больших космических орбитальных энергетических станций. В том числе и лазерных, для питания энергией многих объектов. Разработка их и широкомасштабные испытания потребуют наземных испытаний. Большинство из них можно провести на нашем большом концентраторе. Это будет значительно дешевле, чем проведение работ в космосе.

Статьи по теме:
Спецвыпуск

Риски разделим на всех

ЕАЭС сталкивается с трудностями при попытках гармонизации даже отдельных секторов финансового рынка

Экономика и финансы

Хороший старт, а что на финише?

Рынок онлайн-займов «до зарплаты» становится драйвером развития финансовых технологий. Однако неопределенность намерений регулятора ставит его развитие под вопрос

Казахстанский бизнес

Летная частота

На стагнирующий рынок авиаперевозок выходят новые компании

Тема недели

Под антикоррупционным флагом

С приближением транзита власти отличить антикоррупционную кампанию от столкновения политических группировок становится труднее