Équipes DARPA : diffuser un « Internet de l’énergie » via des relais aériens

La Defense Advance Research Projects Agency (DARPA) a choisi les équipes de Raytheon (RTX), Draper Laboratory et BEAM Co. pour entrer dans la première phase du programme Persistent Optical Wireless Energy Relay (POWER), a-t-elle annoncé le 7 septembre.

Le rayonnement d’énergie utilise essentiellement la même physique que la communication sans fil, selon la DARPA. Vous avez besoin d’une source d’alimentation ; vous convertissez cette énergie en une onde se propageant, généralement électromagnétique, l’envoyez dans un espace libre, la collectez à travers une ouverture, puis la reconvertissez en électricité, a déclaré le colonel Paul Calhoun, responsable du programme POWER, décrivant comment l’énergie peut être transférée sans fil. entre deux points grâce à l’utilisation de lasers à énergie optique.

L’objectif de POWER est de créer un réseau de nœuds aériens capables de diffuser de l’énergie sans fil vers des plates-formes au sol ou d’autres plates-formes aériennes en améliorant l’efficacité de conversion pour les transmissions d’énergie optique. Tirer parti de la transmission de puissance de cette manière peut permettre un transport d’énergie quasi instantané.

Ce projet a le potentiel de faire progresser le rayonnement d’énergie de plusieurs ordres de grandeur, ce qui pourrait radicalement remodeler la relation de la société avec l’énergie, a déclaré le Dr Paul Jaffe, qui dirige le programme POWER à la DARPA. Un réseau énergétique sans fil pourrait exploiter l’énergie provenant de sources nouvelles et diverses, y compris celles de l’espace, et les connecter de manière rapide et fiable aux consommateurs en manque d’énergie.

Il s’agit de l’Internet pour l’énergie, qui exploite des réseaux résilients et à trajets multiples pour acheminer l’énergie de sources abondantes vers des consommateurs en manque d’énergie, a déclaré Calhoun.

Applications militaires du rayonnement d’énergie sans fil

Pour que les forces armées modernes puissent transporter physiquement l’énergie stockée nécessaire à l’accomplissement d’une mission sous forme de carburant liquide, les plates-formes militaires qui nécessitent une longue portée, de l’endurance ou une capacité de livraison d’armes significative doivent être physiquement grandes. Un relais POWER efficace signifierait que de petites plates-formes à faible coût pourraient mener les mêmes missions que des avions plus gros en utilisant un réseau de transfert d’énergie sans fil au lieu de carburant liquide. Les cellules résultantes pourraient alors être développées avec une autonomie ou une endurance potentiellement illimitée.

La technologie actuelle permet à l’énergie d’être transmise du sol au sol, mais il est possible que l’énergie soit relayée entre deux plates-formes aériennes d’une manière qui est profondément inefficace en termes de perte d’énergie et impose des exigences supplémentaires en matière de poids et de puissance aux cellules.

Dans la situation actuelle, l’énergie optique peut être rayonnée depuis la station au sol via un laser, mais au niveau de chaque nœud aérien, l’énergie optique est convertie en électricité pour alimenter un autre laser. La perte d’énergie se produisant lors de la conversion rend ce processus extrêmement coûteux et rend la transmission via plusieurs nœuds aéroportés difficile à imaginer.

Dans un réseau multi-sauts, les pertes de conversion entre les ondes se propageant et l’électricité sont inacceptables. Un réseau énergétique sans fil pratique, polyvalent et adaptable ne peut exister sans relais fiables.

Les équipes sélectionnées par la DARPA tentent de développer une approche qui permettrait de conserver l’énergie dans son format d’origine, sous forme d’énergie optique lorsqu’elle quitte le laser au sol et de la relayer d’un avion à un autre sans être convertie en énergie électrique.

Les relais bénéficieront de la transmission à haute altitude, ce qui est beaucoup plus efficace que l’envoi d’énergie à travers la basse atmosphère plus dense et plus turbulente. Le squelette longue distance et haut débit du réseau énergétique sans fil sera fourni par cette couche optique à haute altitude.

Le projet POWER

La première phase du programme POWER durera 20 mois et comprendra des démonstrations sur table des technologies clés, avec une prolongation facultative de trois mois pour une réduction supplémentaire des risques. Comme d’autres avions pourraient être considérablement plus petits et moins chers si la puissance leur était transmise, plutôt que d’être générée par les moteurs et les réservoirs de carburant de l’avion, la première phase du projet POWER impliquera également l’utilisation de conceptions pour étudier ce point.

Au cours de la deuxième étape, qui débutera début 2025 par un appel d’offres ouvert, les technologies de relais seront intégrées sur une plate-forme existante pour une démonstration aéroportée de faible puissance.

La troisième étape du programme démontrera les relais en envoyant 10 kilowatts d’énergie optique à un récepteur au sol situé à 200 kilomètres du laser source au sol via une voie optique aéroportée.

Le Dr Paul Jaffe, qui dirige le programme POWER à la DARPA, affirme que les équipes sélectionnées ont emprunté des voies différentes, chacune distincte en termes de demande de recherche et de conception. Chacune des équipes sélectionnées a proposé des approches techniques uniques au problème des relais de transmission de puissance, allant de nouvelles combinaisons de technologies existantes à des innovations technologiques à haut risque et très rémunératrices, a déclaré Jaffe.

La gamme de solutions proposées englobe un équilibre entre des performances assurées et des avancées potentielles en termes de taille, de poids et de puissance pour permettre aux petits systèmes distribués du futur réseau d’énergie sans fil, poursuit Jaffe.

Le transport d’énergie instantané change la société

Bien que cette technologie en développement présente des avantages évidents pour les capacités militaires, les implications pour la société au sens large n’échappent pas au personnel de la DARPA.

Calhoun établit des comparaisons avec la manière dont Internet a révolutionné l’accès à l’information. Il y a beaucoup d’énergie stockée dans les vagues profondes de l’océan. La quantité d’énergie qui se produit dans les vagues au milieu de l’océan est suffisante pour alimenter le monde plusieurs fois, mais nous ne pouvons tout simplement pas y accéder, ce n’est pas pratique, a déclaré Calhoun, si nous pourrions créer un réseau qui déplace cette énergie vers des endroits où les besoins sont grands, je crois que vous verrez une chose similaire où l’accessibilité à l’énergie pour la personne moyenne sera considérablement augmentée, et avec cette productivité.

Et si nous parvenons à un monde où nous ne lions plus la production d’énergie au carbone, si nous n’empoisonnons plus notre environnement par la production, si nous ne devons plus parvenir à un équilibre, ce sera un endroit vraiment passionnant, car cela nous permet de débloquer la production sans certains impacts négatifs, explique Calhoun. Et il existe de nombreux concepts différents sur la façon de produire de l’énergie si vous parvenez à débloquer la distribution.

Depuis des décennies, les sources d’énergie sont recherchées comme alternative aux combustibles fossiles produisant du dioxyde de carbone, avec des options intéressantes offertes depuis l’accès à l’espace, notamment la production solaire dans l’espace, ou l’utilisation du champ magnétique terrestre pour produire de l’électricité dans le cadre d’une dynamo. avec des satellites en orbite. Cependant, la distribution de cette énergie a chuté dès le premier obstacle – mais la possibilité de transmettre efficacement l’énergie d’un point à un autre ouvre à nouveau la discussion. \

Même si Calhoun est clair sur la possibilité de modifier profondément la consommation d’énergie, il prévient que nous sommes loin d’en voir une application généralisée : nous avons dépensé des milliards et des milliards de dollars pour mettre en place notre infrastructure câblée et notre infrastructure de canalisations et cela prendra beaucoup de temps. avant qu’une idée comme celle-ci ne concurrence directement celles-ci en termes d’efficacité.

Cependant, à court terme, certaines applications présentent des opportunités évidentes : là où cela a du sens immédiatement, c’est dans des endroits comme les secours en cas de catastrophe où l’infrastructure a disparu où votre alternative consiste à introduire des combustibles liquides à brûler dans les générateurs, toutes ces choses sont très inefficaces et nous pouvons faire mieux que ça.