Идея улавливать солнечный свет в космосе и передавать его на Землю уже давно является предметом научной фантастики. Но Джон Картрайт обнаруживает, что правительства во всем мире сейчас серьезно относятся к «солнечной энергии космического базирования» как к потенциальному решению наших энергетических потребностей.
Физик-теоретик Фримен Дайсон однажды представил инопланетную цивилизацию, которая была настолько развита, что окружила свою родительскую звезду гигантской искусственной оболочкой. Внутренняя поверхность этого «Сфера Дайсона» будет улавливать солнечную радиацию и передавать ее в пункты сбора, где она будет преобразована в полезную энергию. Такая идея остается научной фантастикой, но можно ли использовать аналогичный принцип в гораздо меньших масштабах для использования энергии нашего собственного Солнца?
В конце концов, за облаками, в безночном сиянии околоземного космоса, имеется больше бесперебойной солнечной энергии, чем реально может потребоваться человечеству в ближайшие столетия. Вот почему группа ученых и инженеров уже более 50 лет придумывает методы улавливания этой энергии в космосе и передачи ее обратно на землю.
«Космическая солнечная энергия», как ее называют, имеет два огромных преимущества перед традиционными методами использования Солнца и ветра. Во-первых, размещение спутника, улавливающего солнечный свет, в космосе означает, что нам не нужно будет покрывать огромные участки земли солнечными батареями и ветряными электростанциями. Во-вторых, у нас будет достаточный запас энергии, даже если, несмотря на местные погодные условия, пасмурно или ветер утих.
И в этом проблема солнечной энергии и энергии ветра здесь, на Земле: они никогда не смогут удовлетворить наши потребности в энергии на постоянной основе, даже если они значительно расширятся. Исследователи из Ноттингемского университета в прошлом году подсчитали, что, если бы Великобритания полностью полагалась на эти возобновляемые источники, стране пришлось бы хранить более 65 тераватт-часов энергии. Это обойдется более чем в 170 миллиардов фунтов стерлингов, что более чем в два раза превышает стоимость будущей высокоскоростной железнодорожной сети страны. (Силы 14 8524).
К сожалению, большинство попыток реализовать солнечную энергетику в космосе столкнулись с, казалось бы, неразрешимыми техническими и экономическими проблемами. Но времена меняются. Инновационные конструкции спутников, а также гораздо более низкие затраты на запуск внезапно сделали солнечную энергию космического базирования реалистичным решением. Япония прописал это в законе как национальную цель, в то время как Европейское космическое агентство объявил конкурс идей. Китай и Соединенные штаты оба строят испытательные центры.
Между тем, консультация опубликована правительством Великобритании в 2021 году пришли к выводу, что использование солнечной энергии в космосе технически и экономически осуществимо. Заманчиво то, что оно подсчитало, что это технологическое решение может быть реализовано на практике за 10 лет до достижения цели «чистого нуля» к 2050 году, поставленной Межправительственной группой экспертов по изменению климата. Так является ли космическая солнечная энергия ответом на проблемы нашего климата? И если да, то что мешает этому стать реальностью?
Космические мечты
Первоначальная концепция получения солнечной энергии из космоса была придумана в 1968 году Питером Глейзером, американским инженером из консалтинговой компании Arthur D Little. Он предполагал разместить огромный дискообразный спутник на геостационарной орбите на высоте около 36,000 XNUMX км над Землей. (Наука 162 857). Спутник диаметром примерно 6 км будет состоять из фотоэлектрических панелей, которые будут собирать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию. Затем эта энергия будет преобразована в микроволны с помощью лампового усилителя и передана на Землю через передатчик диаметром 2 км.
Это единственная форма зеленой возобновляемой энергии, способная обеспечить непрерывную базовую электроэнергию.
Крис Роденбек, Исследовательская лаборатория ВМС США
Прелесть микроволн в том, что они не поглощаются облаками здесь, на Земле, и поэтому в значительной степени (хотя и не полностью) беспрепятственно проходят через нашу атмосферу. Глейзер предполагал, что они будут собираться фиксированной антенной диаметром 3 км, где они будут преобразовываться в электричество для сети. «Хотя использование спутников для преобразования солнечной энергии может произойти через несколько десятилетий, — писал он, — возможно изучить некоторые аспекты необходимой технологии в качестве руководства для будущих разработок».
Первоначальная реакция была положительной, по крайней мере, в некоторых кругах: НАСА заключило с компанией Глейзера, Артуром Д. Литтлом, контракт на дальнейшее исследование. Однако с годами выводы последующих исследований космической солнечной энергии варьировались от осторожно положительных до явно отрицательных.
1 спутник солнечной энергии с несколькими вращающимися шарнирами (MR-SPS)
Эта концепция космической солнечной энергии основана на оригинальных предложениях 1968 года, разработанных американским инженером Питером Глейзером. Известный как спутник солнечной энергии с несколькими вращающимися соединениями (MR-SPS), он был изобретен в 2015 году Хоу Синьбинем и другими в Китайской академии космических технологий в Пекине. Спутник массой 10,000 12 тонн и шириной около 36,000 км будет двигаться по геостационарной орбите на высоте примерно XNUMX XNUMX км над Землей, при этом солнечный свет будет собираться солнечными панелями и преобразовываться в микроволны, которые передаются на Землю центральным передатчиком. Чтобы обеспечить непрерывную передачу энергии к нам, фотоэлектрические панели могут поворачиваться лицом к Солнцу относительно центрального передатчика, который всегда обращен к Земле. Солнечные панели и передатчик соединены единым прямоугольным каркасом. В отличие от конкурирующих разработок, концепция MR-SPS не опирается на зеркала.
В 2015 году, например, технология получила не более чем вялый вердикт. в отчете Института стратегических исследований (SSI) Военного колледжа армии США, в котором не приводилось «убедительных доказательств» того, что космическая солнечная энергия может быть экономически конкурентоспособной по сравнению с наземной энергетикой. SSI особенно раскритиковал «сомнительные предположения», сделанные его сторонниками относительно вывода такой огромной орбитальной структуры в космос. Проще говоря, в докладе говорилось, что ракет-носителей недостаточно, а те, что имеются, слишком дороги.
Но не слишком блестящий вердикт SSI был вынесен частным компаниям – особенно SpaceX – начали трансформировать космическую отрасль. Объединив многоразовые ракетные системы с методом проб и ошибок в исследованиях и разработках, американская фирма за последнее десятилетие сократила стоимость запуска на околоземную орбиту более чем в 10 раз (за килограмм полезной нагрузки). ), с планами сократить его еще на порядок. То, что SSI считало основным ограничением затрат на запуск, на самом деле больше не является проблемой.
Не то чтобы стоимость запуска спутника в космос была единственным камнем преткновения. Первоначальная концепция Глейзера была обманчиво простой и содержала множество скрытых проблем. Во-первых, когда спутник вращается вокруг Земли, угол между Солнцем, кораблем и точкой на Земле, в которую передается энергия, постоянно меняется. Например, если геостационарный спутник тренируется на Земле, его фотоэлектрические элементы будут обращены к Солнцу в полдень, а в полночь — спиной к Солнцу. Другими словами, спутник не будет постоянно генерировать электроэнергию.
Первоначальным решением этой проблемы было постоянное вращение фотоэлектрических панелей относительно микроволновых передатчиков, которые оставались неподвижными. Тогда фотоэлектрические панели всегда будут направлены на Солнце, а передатчики всегда будут обращены к Земле. Впервые предложенное НАСА в 1979 году как развитие идей Глейзера, это решение было расширено в предложении 2015 года инженерами Китайской академии космических технологий в Пекине, которые назвали его спутником солнечной энергии с несколькими вращающимися шарнирами, или МР-СПС (фигура 1).
Следует также заметить, Джон Мэнкинс, бывший инженер НАСА, в 2012 году изобрел конкурирующее решение. СПС АльфаЕго идея заключалась в том, чтобы оставить солнечные панели и передатчик неподвижными, но установить вокруг панелей множество зеркал (рис. 2). Эти зеркала, известные как гелиостаты, смогут вращаться, непрерывно перенаправляя солнечный свет на солнечные панели и тем самым позволяя спутнику непрерывно подавать энергию на Землю.
2 СПС-Альфа
В концепции SPS-Alpha, изобретенной бывшим инженером НАСА Джоном Мэнкинсом в США, основная часть спутника — солнечные панели и передатчик — зафиксирована и всегда обращена к Земле. Размещенный на геостационарной орбите спутник весом 8000 тонн состоит из массива модулей в форме диска, которые преобразуют солнечный свет в электричество с помощью фотогальваники, а затем передают эту энергию в виде микроволн. К этой решетке диаметром 1700 м подключена отдельная, более крупная куполообразная решетка зеркал, которые независимо поворачиваются, чтобы отражать солнечный свет на решетку, в зависимости от того, где Солнце расположено относительно Земли на геостационарной орбите.
Однако ни MR-SPS, ни SPS Alpha не являются удовлетворительными, по мнению Ян Кэш, директор и главный инженер компании Международная Электрическая Компания Лимитед в Оксфордшире, Великобритания. Бывший разработчик электронных систем в автомобильной, аэрокосмической и энергетической отраслях, Кэш десять лет назад сосредоточил свое внимание на частной разработке экологически чистых крупномасштабных источников энергии. Первоначально его соблазнил потенциал ядерного синтеза, но его отпугнули «действительно сложные» проблемы, и он быстро остановился на солнечной энергии космического базирования как наиболее практичном варианте.
По мнению Кэша, проблема как MR-SPS, так и SPS Alpha заключается в том, что им приходится вращать одни части спутника относительно других. Поэтому каждая часть должна быть физически связана с другой и нуждаться в подвижном шарнирном соединении. Проблема в том, что при использовании на таких спутниках, как Международная космическая станция, такие соединения могут выйти из строя из-за износа. Отказ от шарнирных соединений сделал бы спутник, работающий на солнечной энергии, более надежным, заключил Кэш. «Я хотел выяснить, что потребуется для создания твердотельного решения, которое всегда видит Солнце и Землю», — говорит он.
К 2017 году Кэш понял это, по крайней мере, так он утверждает. Его Концепция КАССИОПии Это спутник, который по сути выглядит как винтовая лестница, где фотоэлектрические панели являются «ступенями», а микроволновые передатчики – стержнеобразные диполи – являются «стояками». Его продуманная спиральная геометрия означает, что CASSIOPeiA может получать и передавать солнечную энергию 24 часа в сутки без каких-либо движущихся частей (рис. 3).
Кэш, который намеревается получить прибыль от CASSIOPeiA путем лицензирования соответствующей интеллектуальной собственности, заявляет о многих других преимуществах своей концепции. Предложенный им спутник может быть построен из сотен (а возможно, и тысяч) меньших модулей, связанных вместе, причем каждый модуль улавливает солнечную энергию, преобразует ее электронным способом в микроволны и затем передает их на Землю. Прелесть этого подхода в том, что если какой-либо модуль подвергнется воздействию космических лучей или космического мусора, его отказ не выведет из строя всю систему.
Еще одним преимуществом CASSIOPeiA является то, что нефотоэлектрические компоненты постоянно находятся в тени, что сводит к минимуму рассеяние тепла – что является проблемой в безконвекционном космическом вакууме. Наконец, поскольку спутник всегда ориентирован на Солнце, он может занимать больше типов орбит, в том числе сильно эллиптические. Тогда он будет временами ближе к Земле, чем если бы он был геостационарным, что делает его дешевле, поскольку вам не нужно масштабировать конструкцию на основе такого огромного передатчика.
3 КАССИОПИЯ
a Предложение CASSIOPeiA по солнечной энергии космического базирования, разработанное Яном Кэшем из International Electric Company Limited в Великобритании, предусматривает спутник массой до 2000 тонн, находящийся на геостационарной или эллиптической орбите вокруг Земли. b Солнечный свет падает на два огромных эллиптических зеркала (желтые диски), каждое диаметром до 1700 м, расположенных под углом 45° к спиральной решетке из 60,000 5 солнечных панелей (серые). Эти панели собирают солнечный свет и преобразуют его в микроволны определенной частоты, которые затем передаются на наземную станцию на Земле диаметром примерно XNUMX км. Эта станция преобразует микроволны в электричество для сети. Преимущество спиральной геометрии заключается в том, что микроволны можно постоянно направлять на Землю без необходимости шарнирных соединений, которые часто выходят из строя в космических условиях. c Вместо этого микроволны управляются посредством регулировки относительной фазы твердотельных диполей.
Возможно, неудивительно, что конкуренты Кэша не согласны с его оценкой. Мэнкинс, который сейчас базируется в Решения для управления инновациями Artemis в Калифорнии, США, оспаривает, что шарнирные гелиостаты в его концепции SPS-Alpha являются проблемой. Вместо этого он утверждает, что они являются «простым продолжением очень зрелой технологии», которая уже используется для концентрации солнечного света для нагрева жидкостей и привода турбин в «солнечные башни» здесь, на Земле. Он также считает, что двойные зеркала, необходимые для CASSIOPeiA, могут стать проблемой, поскольку они должны быть изготовлены очень точно.
«Я высоко ценю Яна и его работу; его более поздняя концепция CASSIOPeiA — одна из нескольких очень похожих по своему характеру, включая SPS-Alpha», — говорит Мэнкинс. «Однако я не согласен с его ожиданием, что CASSIOPeiA окажется лучше SPS-Alpha». По мнению Мэнкинса, лучший подход к использованию солнечной энергии в космосе в конечном итоге будет зависеть от результатов проектов развития, при этом решающим фактором будет фактическая стоимость киловатт-часа электроэнергии здесь, на Земле.
Масштабируемый и впечатляющий
Интерес к космической солнечной энергии получил дополнительный импульс после Отчет правительства Великобритании за 2021 год в технологию, что едва ли могло быть более позитивным в отношении этой концепции. Его составили инженеры британской консалтинговой компании. Frazer-Nash, который переписывался с рядом экспертов в области космической техники и энергетики, включая изобретателей SPS Alpha, MR-SPS и CASSIOPeiA.
В докладе сделан вывод, что спутник CASSIOPeiA шириной 1.7 км на геостационарной орбите передает солнечное излучение на расстояние 100 км.2 массив микроволновых приемников (или «ректенн»), расположенных здесь, на Земле, будет генерировать 2 ГВт постоянной мощности. Это эквивалентно мощности большой традиционной электростанции. Это также намного лучше, чем, скажем, существующий Ветряная электростанция Лондон-Эррей в устье Темзы, которая примерно на 25% больше, но генерирует среднюю мощность всего лишь 190 МВт.
Однако еще более поразительным оказался экономический анализ отчета. Основываясь на оценке, согласно которой разработка и запуск полноразмерной системы обойдется в 16.3 миллиарда фунтов стерлингов, а также с учетом минимальной нормы возврата инвестиций в размере 20% в годовом исчислении, он пришел к выводу, что космическая система солнечной энергии могла бы в течение своего примерно 100-летнего срока службы производить энергию по цене 50 фунтов стерлингов за МВтч.
Фрейзер-Нэш говорит, что это на 14–52% дороже, чем нынешняя наземная ветровая и солнечная энергия. Но, что особенно важно, это на 39–49% дешевле, чем биомасса, ядерная энергия или наиболее эффективные газовые источники энергии, которые в настоящее время являются единственными, которые в настоящее время способны обеспечить бесперебойную электроэнергию «базовой нагрузки». Авторы отчета также заявили, что их консервативная оценка затрат «будет ожидать снижения по мере продолжения разработки».
«Это невероятно масштабируемо», — говорит Мартин Солтау Фрейзер-Нэш, один из авторов. А поскольку уровень солнечного света в космосе вокруг Земли намного ярче, чем внизу, он считает, что каждый солнечный модуль будет собирать в 10 раз больше, чем если бы он был установлен на земле. В докладе подсчитано, что Великобритании потребуется в общей сложности 15 спутников – каждый со своей собственной ректенной – чтобы обеспечить четверть энергетических потребностей страны к 2050 году. Каждая ректенна может быть расположена рядом или даже внутри существующей ветряной электростанции.
Если бы схема была расширена дальше, она в принципе могла бы обеспечить более 150% всего мирового спроса на электроэнергию (хотя устойчивое энергоснабжение обычно диктует широкий набор источников). Солнечная энергия космического базирования, добавляет Зольтау, также будет оказывать гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, чем возобновляемые источники энергии на Земле. Углеродный след будет небольшим, спрос на редкоземельные минералы будет небольшим, и, в отличие от ветряных турбин, не будет шума или высоких видимых структур.
Если все это звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, вполне возможно, что так оно и есть. В отчете Фрейзера-Нэша признается наличие нескольких «проблем развития», в частности поиск способов сделать беспроводную передачу энергии более эффективной. Крис Роденбек, инженер-электрик из Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне, округ Колумбия, говорит, что крупномасштабной демонстрации этой технологии трудно добиться. Они требуют устойчивых инвестиций и целенаправленного развития электронных компонентов, таких как мощные выпрямительные диоды, которые не всегда доступны.
К счастью, беспроводная передача энергии развивается уже несколько десятилетий. В 2021 году команда Роденбека отправила 1.6 кВт электроэнергии на расстояние 1 км с эффективностью преобразования микроволнового излучения в электричество 73%. На первый взгляд, это менее впечатляюще, чем самая мощная на сегодняшний день демонстрация беспроводной энергии, которая состоялась в 1975 году, когда сотрудники Лаборатория Голдстоуна НАСА в Калифорнии преобразовали микроволны с частотой 10 ГГц в электричество с КПД выше 80%. Однако важно отметить, что Роденбек использовал низкочастотные микроволны с частотой 2.4 ГГц, которые в космосе понесли бы гораздо меньшие потери в атмосфере.
Чтобы противодействовать более высокой дифракции (рассеянию луча), которая естественным образом возникает на более низких частотах, исследователи использовали окружающую местность, чтобы «отразить» микроволны к решетке приемников, тем самым улучшив плотность мощности на 70% (IEEE Дж. Микроу. 2 28). «Во время глобальной пандемии мы провели [тест] довольно быстро и дешево», — говорит Роденбек. «Мы могли бы добиться большего».
Для первоначального строительства потребуется круглосуточный завод в космосе и сборочная линия, подобная автомобильному заводу на Земле.
Ян Гао, Университет Суррея
Роденбек с оптимизмом смотрит на перспективы космической солнечной энергии. В то время как ядерный синтез, утверждает он, «сталкивается с фундаментальными проблемами физики», солнечная энергетика космического базирования – и беспроводная передача энергии – просто «сталкиваются с долларами». «[Это] единственная форма зеленой возобновляемой энергии, способная обеспечить непрерывную базовую электроэнергию», — утверждает Роденбек. «Если не будет технического прорыва в управляемом ядерном синтезе, весьма вероятно, что человечество будет использовать космическую солнечную энергию для будущих энергетических нужд».
Однако предостережение исходит от Ян Гао, космического инженера из Университета Суррея в Великобритании, который признает, что «сам масштаб» предлагаемой космической системы «поражает воображение». Она полагает, что для первоначального строительства вполне может потребоваться «завод, работающий круглосуточно и без выходных в космосе, со сборочной линией, подобной автомобильному заводу на Земле», вероятно, с использованием автономных роботов. Что касается содержания объекта после его постройки, Гао говорит, что это будет «требовательно».
Для Кэша решающее значение имеет орбита, которую будет занимать космический спутник. Геостационарный спутник, работающий на солнечной энергии, будет находиться так далеко от Земли, что для эффективной передачи энергии потребуются огромные и дорогие передатчики и ректенны. Но, воспользовавшись преимуществами нескольких спутников на более коротких, высокоэллиптических орбитах, говорит Кэш, инвесторы могли бы реализовать меньшие рабочие системы по концепции CASSIOPeiA с небольшой долей капитала. SPS Alpha и MR-SPS, напротив, должны быть полноразмерными с первого дня.
Хватит ли воли?
И все же самая большая проблема для солнечной энергетики в космосе может быть не экономической или технической, а политической. В мире, где значительное количество людей верят в теории заговора, связанные с мобильной технологией 5G, передача гигаватт микроволновой энергии из космоса на Землю может оказаться сложной задачей, несмотря на то, что максимальная интенсивность луча составляет всего лишь 250 Вт/м.2, менее четверти максимальной солнечной интенсивности на экваторе.
Фактически, в докладе Великобритании признается, что его сторонникам необходимо проверить общественный аппетит и «курировать разговор» вокруг ключевых идей. Но есть и реальные технические и социальные соображения. Где будут располагаться ректенны? Как спутники будут выводиться из эксплуатации по окончании срока службы, не увеличивая при этом космический мусор? Останется ли в микроволновом спектре место для чего-нибудь еще? И будет ли система уязвима для атак?
По итогам своего доклада Правительство Великобритании открыло фонд в 3 миллиона фунтов стерлингов Чтобы помочь промышленности в разработке некоторых ключевых технологий, при этом бывший министр бизнеса Кваси Квартенг заявил, что солнечная энергия космического базирования «может обеспечить доступный, чистый и надежный источник энергии для всего мира». Эта горшок денег вряд ли пойдет далеко на реализацию проекта такого масштаба, поэтому Зольтау помог основать бизнес под названием Космос Солнечная, которая надеется привлечь первоначальные 200 миллионов фунтов стерлингов от частных инвесторов.
Между тем, то, что он называет «сотрудничеством желающих», Инициатива по космической энергетике, собрал учёных, инженеров и государственных служащих из более чем 50 научных учреждений, компаний и государственных органов, которые работают безвозмездно чтобы помочь реализовать работающую систему. SpaceX пока нет в списке, но Солтау утверждает, что привлек внимание американской компании. «Они очень заинтересованы», — говорит он.
Кэш не сомневается, что инвестиции найдутся. Наземные возобновляемые источники энергии не могут обеспечить бесперебойную электроэнергию при базовой нагрузке без чрезвычайно дорогостоящей аккумуляторной инфраструктуры, в то время как ядерная энергия всегда сталкивается с жестким сопротивлением. Космическая солнечная энергия, по мнению Кэша, является жизненно важной частью процесса, если мы хотим достичь нулевой чистой энергии, и просто просить людей использовать меньше энергии – это «опасная идея». Большинство войн велись из-за предполагаемой нехватки ресурсов», — говорит он. «Если мы не посмотрим, как поддержать развитие цивилизации, альтернатива будет очень пугающей».
