Achtergrond

DARPA wil een wereldwijd systeem om draadloos energie te verzenden

FOTO.1. CALTEC

Amerika’s militaire apparaat wil slagen waar Nikola Tesla faalde: het draadloos versturen van energie over grote afstanden. Drie Amerikaanse bedrijven kregen van DARPA de opdracht een lasersysteem te ontwerpen dat draadloos en volledig optisch 10kW over 200 kilometer kan verzenden.

De mislukte Tesla Toren

In 1901 ontving de geniale uitvinder Nikola Tesla van de Amerikaanse bankier J.P. Morgan honderdvijftigduizend dollar – zo’n viermiljoen in dollars van nu – om een toren te bouwen voor het draadloos verzenden van radio- en telefoonsignalen over de Atlantische Oceaan. Tesla wilde met zijn zendmast het pas onthulde radiosysteem van Marconi overtreffen. Het was een wraakactie: Tesla meende dat de Italiaanse uitvinder zijn ideeën had gestolen. En zo verrees op Long Island in 1902 de 57 meter hoge Wardenclyffe Tower, ook bekend als de Tesla-toren.

Tesla wilde echter meer. Zijn toren moest de basis worden van het World Wide Wireless System, een systeem dat de aarde en de atmosfeer zou gebruiken als geleiders om draadloos elektriciteit rond de aarde te zenden. Daar moest geldschieter Morgan niets van hebben. Het gerucht ging dat het World Wide Wireless System een hoax was. Tesla, verteert door geldzorgen en geestelijke problemen, modderde nog door tot 1905 en gaf toen op. In 1915 werd de Wardenclyffe Tower afgebroken.

Tesla’s droom lag in duigen, maar het streven om geconcentreerde bundels energie draadloos te versturen bleef bestaan. In 1964 demonstreerde William Brown, een elektrisch ingenieur van Raytheon, op de Amerikaanse televisie in een nieuwsuitzending een helikopter die kon vliegen omdat het via microgolven energie ontving. Dit was mogelijk dankzij de rectenna (rectifying antenna), een apparaat dat de microgolven omzette in gelijkstroom. Tien jaar later gebruikte dezelfde Brown een schotel met een diameter van 26 meter om microgolven naar een rectenna te sturen over een afstand van 1.6 kilometer. Het lukte zo om 30 kW te versturen. Het verlies was slechts 16 procent.

Microgolven hebben zendschotels en antennes nodig, met lasers kan het kleiner. Verschillende landen en bedrijven hebben dan ook geëxperimenteerd met het gebruik van lasers om energie te verzenden. In 2003 lukte het NASA om een vliegtuigje van 300 gram minutenlang te laten rondcirkelen in een hangar door er een infrarood laser op te richten. Fotovoltaïsche cellen op het vliegtuigje zetten de infrarode straal om in elektriciteit. Er staat een leuke video van het experiment op YouTube waarop te zien is hoe een medewerker van NASA met zijn handen de laser op het vliegtuigje gericht houdt.

DARPA wil meer

Het Amerikaanse ministerie van defensie wil die experimenten van NASA nu flink gaan opschalen. Het Amerikaanse leger is geïnteresseerd omdat zo’n technologie wapensystemen op de meest afgelegen plekken met de snelheid van het licht van energie zou kunnen voorzien. Verder beschouwt het deze technologie als een gebied waarin Amerika om strategische redenen per se voorop wil lopen. Vandaar dat DARPA – de afdeling van het ministerie van defensie die zeer geavanceerd onderzoek financiert en stimuleert – drie Amerikaanse bedrijven een opdracht heeft verstrekt om een lasersysteem met relais te ontwikkelen dat 10 kW over een afstand van 200 kilometer kan verzenden. De bedrijven zijn RTX, Draper en BEAM Co.

De ontwikkeling van deze lasersystemen staat onder leiding van Paul Jaffe, het hoofd van DARPA’s Persistent Optical Wireless Energy Relay program (POWER). Jaffe heeft de drie bedrijven geïnstrueerd een systeem te ontwerpen waarbij een optische of infrarood laser op de grond via drie relais op vliegende platforms de vereiste hoeveelheid energie kan afleveren bij een doel tweehonderd kilometer verderop op de grond. Fotovoltaïsche cellen op het doel zetten de energie dan om in elektriciteit. Er is gekozen voor een optische of infrarood laser omdat de relais dan dankzij de relatief korte golflengten klein genoeg zullen zijn om in een klein vliegtuigje of op een drone te passen.

© US Navy/Jonathan Sunderman. Een ingenieur van het U.S. Naval Research Laboratory inspecteert de Space Wireless Energy Laser Link (SWELL), een laser die dit jaar gebruikt is voor het verzenden van energie op het Internationale Ruimtestation.

Om te beginnen moeten de drie bedrijven een concept ontwikkelen waarbij het vliegende platform een deel van de energie van de laser aftapt en deze omzet in de elektriciteit die nodig is om zelf in de lucht te kunnen blijven. DARPA heeft hier het oog gericht op een toekomst waarin vliegtuigen en drones brandstofloos rondvliegen omdat ze energie krijgen vanaf de grond. Er zijn in theorie aanzienlijke besparingen mogelijk wanneer een vliegtuig zou kunnen opstijgen zonder duizenden kilo’s aan brandstof in de tanks. Een vliegende tanker verbrandt nu honderdduizenden liters brandstof om andere vliegtuigen te voorzien van tienduizenden liters.

© DARPA. Een graphic die laat zien wat nu reeds mogelijk is, wat zou kunnen en wat DARPA wil bereiken met volledig optisch relais op vliegende platforms.

De volgende stap is dan de ontwikkeling van de drie relais die samen met minimaal verlies de laser 200 kilometer kunnen doorzenden. Bij eerdere experimenten moest een relais het laserlicht eerst converteren naar elektriciteit en dan deze elektriciteit weer gebruiken om een nieuwe laserstraal verder te sturen. Die omweg wordt nu geëlimineerd.  Al de relais in het systeem moeten volledig optisch de laser doorsturen.

Ambitieus

DARPA spreekt in persberichten al zeer optimistisch over een wereldwijd systeem dat met lasers energie rond de aardbol kan verzenden. Het verzenden over een afstand van 200 kilometer is een zware opgave. Het U.S. Naval Research Laboratory was in juli van dit jaar al zeer verguld was met een experiment op het Internationale Ruimtestation waarbij het lukte om met een laser gedurende 100 dagen 1.5 watt te verzenden over een afstand van 1.45 meter. Het end-to-end rendement was 11 procent.

© DARPA. Een artistieke interpretatie hoe een vliegend platform met een optisch relais eruit zou kunnen zien. Het platform moet een deel van de laser omzetten in elektriciteit om zelf in de lucht te blijven.

Jaffe, die ook toezicht had op het laser-experiment in het Internationale Ruimtestation, is ervan overtuigd dat het overbruggen van de vereiste tweehonderd kilometer mogelijk zal zijn dankzij allerlei innovaties. Vooral door ontwikkelingen op het gebeid van geleidewapens is het mogelijk met minder energie meer geconcentreerde lasers te maken die razendsnel een doel kunnen volgen, dus ook een relais. DARPA zegt hier niet over, maar het lijkt wel noodzakelijk dat zo’n laser onmiddellijk onderbroken wordt of een andere weg zoekt zodra er een vliegend object in de straal opduikt.

DARPA heeft hier het oog gericht op een toekomst waarin vliegtuigen en drones brandstofloos rondvliegen omdat ze energie krijgen vanaf de grond.

Zonnecentrales in de ruimte

Sciencefiction schrijver Isaac Asimov beschreef reeds in 1941 in zijn verhaal Reason een zonnecentrale in de ruimte die energie naar de aarde zond via microgolven. Dat is precies wat Ali Hajimiri voor ogen staat. Deze professor elektrotechniek geeft bij Caltech leiding aan het Space Solar Power Project dat als uiteindelijk doel heeft op 500 kilometer van de aarde zonne-energie op te vangen en deze middels microgolven door te zenden naar de aarde. In theorie is de opbrengst van een zonnecel buiten de dampkring acht keer zo hoog als op aarde omdat er geen obstakels zijn tussen de zon en het paneel. Het team van Hajimiri slaagde er in maart van dit jaar in om de elektriciteit van een zonnepaneel op een satelliet in de ruimte om te zetten in microgolven. De microgolven werden vervolgens over een afstand van 60 centimeter verstuurd naar een rectenna. Deze zette de golven weer om in elektriciteit die gebruikt werd om een aantal LEDs te doen oplichten. De satelliet zond ook microgolven naar de aarde. De werden geregistreerd door een ontvanger op een dak van de Caltech campus. 

Onderwerp: Innovatie

Meer relevante berichten

Nieuwsbrief
Relevante berichten