Идея сбора солнечной энергии в космосе и возвращения ее на Землю существует уже несколько десятилетий.
Идея космической солнечной энергетики (КСЭ) – использования спутников для сбора солнечной энергии и “передачи” ее в точки сбора на Земле – возникла в конце 1960-х годов. Несмотря на огромный потенциал, эта концепция не получила достаточного распространения из-за дороговизны и технологических трудностей.
Можно ли сейчас решить некоторые из этих проблем? Если да, то КСЭ может стать важнейшей частью перехода мира от ископаемого топлива к “зеленой” энергетике.
Мы уже получаем энергию от Солнца. Она собирается непосредственно с помощью того, что мы обычно называем солнечной энергией. Она включает в себя различные технологии, такие как фотовольтаика (ФВ или солнечные батареи) и солнечно-тепловая энергетика. Энергия Солнца собирается и косвенным путем: примером может служить энергия ветра, который возникает в результате неравномерного нагрева атмосферы Солнцем.
Однако у этих “зеленых” видов генерации есть свои ограничения. Они занимают много места на земле и ограничены доступностью света и ветра. Например, солнечные электростанции не собирают энергию ночью, а зимой и в пасмурные дни ее меньше.
Работа фотоэлектрических систем на орбите не ограничивается наступлением ночи. Спутник на геостационарной орбите (ГСО) – круговой орбите высотой около 36 тыс. км над Землей – находится под воздействием Солнца более 99% времени в течение всего года. Это позволяет ему производить экологически чистую энергию круглосуточно.
ГСО идеально подходит для тех случаев, когда необходимо передать энергию с космического аппарата на орбитальный сборщик энергии, или наземную станцию, поскольку спутники на геостационарной орбите неподвижны относительно Земли. Считается, что с ГСО можно получить в 100 раз больше солнечной энергии, чем предполагаемые глобальные потребности человечества в электроэнергии к 2050 году.
Содержание
Передача энергии на Землю, собранной в космосе, требует беспроводной передачи. Использование микроволн позволяет свести к минимуму потери энергии в атмосфере даже при облачном небе. Микроволновый луч, посылаемый спутником, фокусируется на наземную станцию, где антенны преобразуют электромагнитные волны в электричество. Диаметр наземной станции должен составлять не менее 5 км, а в высоких широтах еще более. Однако это все равно меньше, чем площадь территории, необходимой для выработки такого же количества энергии с помощью солнечной энергии или ветра.
Развивающиеся концепции
С момента появления первой концепции Питера Глейзера в 1968 году было предложено множество проектов.
В КСЭ энергия преобразуется несколько раз (свет в электричество, микроволны в электричество), и часть ее теряется в виде тепла. Для того чтобы передать в сеть 2 гигаватта (ГВт) энергии, спутнику необходимо собрать около 10 ГВт.
Недавно разработанная концепция под названием CASSIOPeiA состоит из двух управляемых отражателей шириной 2 км. Они отражают солнечный свет на массив солнечных батарей. Эти передатчики энергии диаметром около 1700 м могут быть направлены на наземную станцию. По оценкам, масса спутника может достигать 2 000 тонн.
Другая архитектура – SPS-ALPHA – отличается от CASSIOPeiA тем, что солнечный коллектор представляет собой большую конструкцию, состоящую из огромного количества небольших модульных отражателей – гелиостатов, каждый из которых может быть перемещаться независимо. Для снижения стоимости они будут производиться серийно.
В 2023 году ученые Калифорнийского технологического института запустили MAPLE – малогабаритный спутниковый эксперимент, который передавал небольшое количество энергии обратно в Калифорнийский технологический институт. MAPLE доказал, что эта технология может быть на практике использована для доставки энергии на Землю.
Национальный и международный интерес
КСЭ может сыграть решающую роль в достижении цели некоторых европейских стран по снижению энергопотребления до нуля к 2050 г. Независимое исследование показало, что к 2050 г. КСЭ может генерировать до 10 ГВт электроэнергии, что составляет четверть от нынешней потребности такой страны как Великобритания. КСЭ обеспечивает надежное и стабильное энергоснабжение.
Кроме того, это позволит создать отрасль с многомиллиардным оборотом и множество рабочих мест. В настоящее время Европейское космическое агентство оценивает жизнеспособность КСЭ в рамках своей инициативы SOLARIS. После этого к 2025 году может быть разработан полный план развития этой технологии.
Некоторые страны недавно объявили о намерении передать энергию на Землю к 2025 году и перейти к более крупным системам в течение следующих двух десятилетий.
Массивный спутник
Если технология готова, то почему космическая солнечная энергетика не используется? Основным ограничением является огромная масса, которую необходимо вывести в космос, и стоимость вывода одного килограмма. Такие компании, как SpaceX и Blue Origin, разрабатывают тяжелые ракеты-носители, ориентируясь на повторное использование их частей после полета. Это позволяет снизить стоимость проекта до 90%.
Даже при использовании ракеты-носителя Starship компании SpaceX, способной выводить на низкую околоземную орбиту 150 т груза, для спутника КСЭ потребуются сотни запусков. Некоторые компоненты, например, длинные фермы – элементы конструкции, предназначенные для преодоления больших расстояний, – могут быть изготовлены методом 3D-печати в космосе.
Проблемы и риски
Миссия КСЭ будет сложной, а риски еще предстоит полностью оценить. Хотя производимая электроэнергия полностью экологична, влияние загрязнения окружающей среды от сотен запусков тяжелых ракет-носителей трудно предсказать.
Кроме того, для управления столь крупной конструкцией в космосе потребуется значительное количество топлива, что предполагает работу инженеров с очень токсичными химическими веществами. Фотоэлектрические солнечные панели будут подвержены деградации, снижая эффективность со временем от 1% до 10% в год. Однако обслуживание и дозаправка могут быть использованы для продления срока службы спутника практически до бесконечности.
Кроме того, пучок микроволн, достаточно мощный для того, чтобы достичь земли, может повредить все, что окажется на его пути, если “собьется прицел”. Поэтому для обеспечения безопасности необходимо ограничить плотность мощности пучка.
Создание подобных платформ в космосе может показаться сложной задачей, но космическая солнечная энергетика технологически возможна. Чтобы стать экономически жизнеспособной, она требует масштабных инженерных работ, а значит, долгосрочных и решительных обязательств со стороны правительств и космических агентств.
При соблюдении всех этих условий КСЭ может внести фундаментальный вклад в достижение нулевого уровня энергопотребления к 2050 году за счет устойчивой и чистой энергии из космоса.
Маттео Чериотти, старший преподаватель кафедры проектирования космических систем, Университет Глазго.
Читайте также: Самые мощные высокоэнергетические гамма-лучи, исходящие от Солнца, не поддаются объяснению