Можливо, ви цього не усвідомлюєте, але ефект Доплера присутній скрізь у нашому житті, від відстеження швидкості автомобілів за допомогою радарів до визначення місцезнаходження супутників у небі. Вся річ у тому, як хвилі змінюють свою частоту, коли джерело (наприклад, радіолокаційний сигнал) і детектор рухаються один відносно одного. Однак традиційні радарні системи натрапляють на блокпост, коли намагаються виявити об’єкти, що рухаються під прямим кутом до їхніх радіолокаційних сигналів. Це обмеження змусило дослідників вивчити абсолютно новий підхід.

Уявіть собі радарну систему, яка не просто покладається на лінійні хвилі, а натомість використовує спіралеподібні електромагнітні хвилі з орбітальним кутовим моментом (OAM). Ці спеціальні «вихрові» хвилі мають гвинтоподібне закручування та створюють характерний обертальний ефект Доплера, коли вони стикаються з об’єктом, що обертається.

Щоб покращити ідентифікацію та виявлення цих обертальних ефектів Доплера, дослідники з Шанхайського науково-технічного університету (USST) використали терагерцові (ТГц) хвилі, розробивши інтегрований ТГц випромінювач вихрового променя, як повідомляється в Advanced Photonics.

За словами професора USST Імін Чжу, автора-кореспондента статті, «наскільки нам відомо, це дослідження являє собою першу демонстрацію інтегрованого випромінювача вихрового променя ТГц, спеціально розробленого для виявлення цілей, що обертаються».

ТГц хвилі унікально підходять для радіолокаційних зображень з високою роздільною здатністю. З точки зору частоти, вони знаходяться між мікрохвилями та інфрачервоними хвилями та мають унікальну здатність проникати через різні матеріали, несучи мінімальний ризик пошкодження. Хоча ТГц-хвилі є великими перспективами, вони стикаються зі своїми проблемами, такими як низька ефективність і проблеми з нестабільністю.

Точне визначення швидкості обертання

Досліджуючи можливості для практичних і регульованих ТГц вихрових випромінювачів разом із відповідними схемами виявлення, дослідницька група розробила новий підхід, який поєднує інтегрований ТГц випромінювач і вихрові пучки з позитивними та негативними зарядами. Маніпулюючи частотою цих вихрових променів, вони можуть генерувати радарні сигнали, які точно вимірюють швидкість об’єкта, що обертається. Цей прорив пропонує спосіб визначення швидкості обертання об’єкта з надзвичайною точністю з максимальною похибкою лише близько 2 відсотків.

Їхня конструкція передбачає маніпулювання частотою для доступу до різних резонансів у порожнині випромінювача променя, що дозволяє генерувати вихрові пучки з топологічними зарядами ±1. Ці вихрові промені згодом освітлюють об’єкт, що обертається, і результуюче відлуння світлових хвиль може прийматися безпосередньо лінійно поляризованою антеною. Завдяки ефективній ідентифікації та виявленню обертального ефекту Доплера в частотному спектрі можна точно кількісно визначити швидкість обертання об’єкта.

Повідомляється, що команда також подолала складну проблему, пов’язану з поляризацією, завдяки чому ця радарна система дуже підходить для виявлення обертання в діапазоні частот ТГц.

Ця інноваційна радарна технологія відкриває захоплюючі можливості для широкого спектру застосувань. Він не тільки має потенціал для покращення радіолокаційного виявлення цілей, але й може запровадити нові системи протидії для тактичної військової оборони. Крім того, він економічно ефективний і масштабований, а це означає, що ми можемо побачити цю передову технологію швидше, ніж ми думаємо.

Після багатьох років політиків, які намагалися запустити сектор сонячної енергетики, його двигуни, можливо, нарешті почали працювати самостійно. Дослідники з Великої Британії зібрали три різні моделі для відстеження подій у технологіях та економіці, і моделювання свідчить про те, що сонячна енергія на шляху до того, щоб стати основним джерелом енергії у світі.

Навіть без подальших урядових стимулів, таких як податок на викиди вуглецю, провідний автор статті, кліматолог Фемке Нійссе з Університету Ексетера, прогнозує, що «сонячна фотоелектрична система домінуватиме в глобальному енергетичному балансі до середини цього століття».

Сонячна енергетика набирає обертів роками. У 2016 році цей відновлюваний вид енергії став найдешевшим джерелом енергії в понад 60 країнах. До 2020 року Міжнародне енергетичне агентство оголосило, що сонячна енергія була офіційно найдешевшою електроенергією в історії – дешевшою, ніж вугілля та газ у більшості великих країн.

Якщо витрати продовжуватимуть падати з такою ж швидкістю, Нійссе та його колеги вважають, що сонячна енергія може підірвати всі інші альтернативні джерела енергії лише за десятиліття або два. У 2020 році викопне паливо виробляло понад 60 відсотків електроенергії в усьому світі. Нові моделі прогнозують, що до 2050 року це число впаде до 21 відсотка. Для порівняння, сонячна енергія відповідатиме за 56 відсотків виробництва електроенергії в усьому світі.

«Якби це було так, переломний момент відновлюваної енергетики в енергетичному секторі міг би бути неминучим або навіть уже пройденим, а сфери політики та фінансів повинні підготуватися до швидкого руйнівного переходу», — пише команда.

Щоб знайти цю переломну точку, дослідники провели серію симуляцій, заснованих на взаємодії між глобальною енергетикою, технологіями та економікою. У більш ніж 70 відсотках симуляцій сонячна енергія становила половину світового виробництва електроенергії до 2050 року.

«Через посилюючу спільну еволюцію витрат на технології та розгортання, — пишуть дослідники, — наш аналіз встановлює кількісні емпіричні докази на основі поточних і історичних тенденцій даних про те, що переломний момент сонячної енергії, ймовірно, пройдено».

«Це свідчить про те, що сонячне домінування не тільки можливе, але й вірогідне», – додають вони.

Якщо це справді так, то замість того, щоб уряди пропонували додаткові стимули для сонячної енергії, Нійссе та його колеги стверджують, що світ тепер має зосередитися на розчищенні дороги для сонячної енергії, щоб зробити «неминучий» перехід якомога плавнішим.

Основні перешкоди на шляху панування технології включають брак фінансування в країнах з низьким рівнем доходу, збалансовану та стійку енергомережу, збільшення залежності від дорогоцінних металів, таких як алюміній, і політичний опір з боку промисловості викопного палива, що занепадає.

Цей останній пункт особливо важливий, оскільки немає гарантії, що домінування сонячної енергії забезпечить систему з нульовим викидом вуглецю. Незважаючи на те, що Найссе та команда стверджують, що «базові лінії прогнозів, пов’язані з домінуванням викопного палива, більше не є реалістичними», існує реальна ймовірність того, що вугілля та газ знайдуть спосіб залишитися.

«Ми робимо висновок, що досягнення енергетичних систем з нульовим викидом вуглецю, ймовірно, потребує іншої політики, ніж це традиційно обговорювалося спільнотою енергетичного моделювання», — пишуть дослідники.

«Ціна на вуглець, необхідна для досягнення беззбитковості між відновлюваними джерелами енергії та викопним паливом, незабаром може бути нульовою. Натомість саме політика, спрямована на вирішення вищезазначених бар’єрів… може сприяти досягненню нульових чистих викидів енергії».