Накачанный солнцем

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

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.

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?

Абдухаким Фазилов

Фото: из личного архива Абдухакима Фазилова

– 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.

Борис Федоров
№47 за 17.12.2007