Сонячна енергія, що видобувається прямо з космосу. Це взагалі можливо?

Понад сімдесят років тому, у 1941 році, Айзек Азімов написав оповідання, в якому енергію сонця передавали через мікрохвильові промені на сусідні планети за допомогою космічної станції. Пройшли роки, і сьогодні вчені намагаються втілити цю наукову фантастику на реальність на Землі. Концепції використання сонячної енергії, одержуваної з космосу, або безпосередньо в космосі розробляються з середини 20 століття. Безліч проектів чекають своєї години.

Сонячна енергія це майбутнє

Використовуючи сонячну енергію в космосі (SBSP), ми могли б вирішити наші проблеми з енергією і викидами парникових газів з мінімальним впливом на навколишнє середовище. Професор Серджіо Пеллегріно з Калтеха нещодавно заявив, що масивна виробництво енергії системи SBSP і той факт, що наше сонце буде працювати ще 10 мільярдів років, дозволяють нам припустити, що джерело енергії у нас не вичерпається ще довго.

Одне з найбільших досліджень NASA за весь час, Satellite Power System Development Concept and Program Evaluation, було присвячено конкретно SBSP і обійшлося більш ніж у 50 мільйонів доларів, воно проводилося з 1976 по 1980 рік. Інше фундаментальне дослідження, що фінансується NASA, для переоцінки і розуміння здійсненності SBSP, називалося Space Solar Power Exploratory Research and Technology. Дослідження включало величезна кількість твердих наукових досліджень, але у цілому висновок був таким:

«Великомасштабна SSP — це дуже складна інтегрована система систем, яка вимагає численних значних проривів у сучасних технологіях і можливості. Розроблена технологічна карта, яка визначає потенційні шляхи для досягнення всіх необхідних проривів — хоча і протягом декількох десятиліть». — Джон С. Манкинс, 7 вересня 2000 року.

Зрозуміло, що нічого не зрозуміло. Давайте зануримось глибше в основу цієї експоненційної технології та її реалізованості.

Що таке сонячна енергія, одержувана з космосу?

Сонячна енергія, що видобувається в космосі, це концепція захоплення сонячної енергії в космічному просторі і передачі її прямо на Землю або інші найближчі планети.

Простіше кажучи, ми могли помістити який-небудь механізм в космічний простір, щоб майже безперервно захоплювати енергію Сонця і передавати цю енергію на Землю. Це може відбуватися вдень або вночі, в дощ або при ясному небі. Як тільки ми отримуємо енергію на Землі на ректенну (спеціальна антена для отримання енергії), ми зможемо легко розподілити її за допомогою звичайних методів. Все дуже просто.

Існує маса ідей, пов’язаних з конфігурацією і архітектурою механізму SBSP, які ми могли б використовувати. Місце розміщення системи, архітектура супутників, збір енергії та передача енергії — це основні великі пункти, на які слід звернути увагу при розумінні різних систем SBSP. Враховуючи кількість пропонованих концепцій, ми розглянемо лише деякі з найбільш помітних варіантів.

Де розмістити систему видобутку сонячної енергії?

Геосинхронная, вона ж геостаціонарна, (ДСО) орбіта, середня околоземная (СОО) і низька околоземная орбіта (НГО) — ось варіанти до розгляду. Найбільш перспективною є ДСО з-за спрощеною геометрії і вирівнювання антени по відношенню до ректенне, масштабованості і майже безперервної передачі енергії. Основна проблема ДСО — велика кількість радіаційного випромінювання. Загальні космічні небезпеки, такі як мікрометеорити або сонячні спалахи, також представляють загрозу.

Супутникова архітектура

Створити місячні фабрики з великою кількістю перевезень або ж розробити астероїди для складання або самозбірки супутників SBSP — в будь-якому випадку, створення автономних космічних фабрик буде складним завданням. Будь-яке будівництво в космосі потребує використання місцевих і безкоштовних матеріалів (тобто місячних), при цьому накладає певні обмеження на складність конструкцій, якщо порівнювати з тими, що можна побудувати на Землі.

Одна цікава установка, яку ми зараз будуємо на Землі, це модульна сонячна батарея розробки Калтеха і Northrop Grumann. Подивіться на неї на відео нижче.

Інша цікава концепція від приватної компанії Solaren. У майбутньому вона планує провести експеримент з будівництвом сонячної електростанції SBSP потужністю 250 МВт на геостаціонарній орбіті. У 2009 році Solaren уклала угоду з найбільшою енергетичною компанією Каліфорнії PG&E на забезпечення її космічної сонячної енергією.

Навіть NASA з концепцією довільно великий фазованої решітки (розробленої в 2012 році) привернула до себе недавнє увагу від Джона С. Манкинса, одного з провідних експертів SBSP в світі.

Як збирати енергію сонця в космосі?

Дві основні концепції, що пов’язані зі збиранням енергії, це використання фотогальванічних елементів (сонячних батарей) або сонячного тепла. Можна вловлювати сонячне тепло (а отже, і енергію), використовуючи дзеркала для концентрації світла та нагрівання рідини. Пар, у свою чергу, буде обертати турбіну і виробляє електрику. Ця концепція має певним ваговим перевагою в порівнянні з сонячними панелями, оскільки знижує загальну масу на ват. Однак у більшості концепцій передбачається використовувати сверлегкие і високоефективні фотоелектричні елементи.

Як передавати енергію сонця з космосу?

Мікрохвильова передача енергії — типовий вибір в конструкціях SBSP з-за загальної ефективності, але використання передачі енергії по лазерному променю — ще одна цікава опція з-за зниженого ваги та вартості. Тим не менш, при думці про потужний лазерному промені виникає побоювання, що його можна перетворити на космічну зброю (промінь смерті). Однак протоколи безпеки могли б з легкістю усунути цю загрозу. Конструкції можна створювати з урахуванням всіх вимог до безпечних рівнів мікрохвильової енергії. Не буде ніякої загрози для жителів міст і живих істот на шляху променів до землі. Проста зворотний зв’язок між антеною та ректенной дозволила вирубати передачу, якщо вона відхилиться від курсу.

Тепер, коли ми краще зрозуміли, що таке SBSP, давайте зануримося в її найбільші обмеження.

Вартість установки передачі космічної енергії

Може здатися, що все прекрасно і сонце буде мільярди років забезпечувати нас безкоштовною енергією. Проте завжди є підступ. Ми вже відзначили ряд проблем безпеки, але головна перешкода пов’язано з витратами на відправку всіх матеріалів, необхідних для SBSP. Поточні кошторису витрат на відправку приблизно 1 кг корисного вантажу в космос варіюються від 9000 до 43 000 доларів США в залежності від використовуваної ракети і космічного апарату.

Якщо ми подивимося лише на відправку сонячних панелей, нижня межа спектру витрат на запуск надлегкої системи SBSP потужністю 4 МВт становить 4000 метричних тонн. Але найімовірніше SBSP буде в діапазоні 80000 метричних тонн.

Низька оцінка: 4000 метричних тонн х 9000 доларів за кілограм = 36 000 000 000 доларів

Висока оцінка: 80 000 метричних тонн х 43 000 доларів за кілограм = 3 440 000 000 000 доларів

Хоча ці цифри будуть дуже приблизними, ми все ще отримуємо приблизну вартість від 36 мільярдів доларів до 3,4 трильйона доларів. Використання фабрики на Місяці або астероїді раптово здається дешевим.

Результати дослідження NASA показують, що космічна сонячна енергія є «економічно життєздатною», якщо стартові витрати будуть коливатися в межах 100-200 доларів за кілограм. Хоча ціни продовжую падати, в тому числі завдяки багаторазовим ракет SpaceX, належить ще довгий шлях. Тим не менш, ця тенденція буде слідувати закону прискореної віддачі Рея Курцвейла, і ціни на запуски будуть продовжувати знижуватися з мільярдів і мільйонів до декількох сотень доларів.

Зайве говорити, що проблема не в технології, а в її вартості.

Майбутнє сонячної енергії

Здатність SBSP забезпечувати чисту і надійну електроенергію для планети цілодобово і без вихідних дешевше будь-якого іншого джерела — абсолютно реальна. Але будуть потрібні десятиліття інвестицій, зборки, тестування та успішного впровадження, перш ніж система почне окупати свої початкові витрати.

І все ж, найважливішим компонентом просування SBSP як фактичного джерела енергії є правильний політичний клімат.

Навіщо нам енергія сонця?

Якщо не брати до уваги політику, отримавши SBSP (або ядерний синтез) в наступному десятилітті, ми могли б втілити такі наукові концепції:

• Космічні ліфти і космічні вежі
• Орбітальні кільця — використовуючи космічні ліфти, створити кільце навколо Землі замість космічної станції для дешевого пересування вантажів і освоєння космосу
• Сфери Дайсона — гігантські оболонки, що охоплюють цілу зірку і поглинають весь її вихід енергії
• Матрьошкові мізки — листкові сфери Дайсона для перетворення зірок у масивні комп’ютери з використанням енергії, що виділяється усіма зірками
• Світи-кільця — штучні планети, використовують цілу зірку

Варіантів багато. Залишилося тільки їх придумати і розробити. Запропонуйте свої?