Космічна сонячна енергія: чи може сонячне проміння назад на Землю задовольнити наші потреби в енергії?

Фізик-теоретик Фрімен Дайсон одного разу уявив інопланетну цивілізацію, яка була настільки розвинутою, що оточила свою батьківську зірку гігантською штучною оболонкою. Внутрішня поверхня цього «Сфера Дайсона» вловлюватиме сонячне випромінювання та передаватиме його до пунктів збору, де воно перетворюватиметься на корисну енергію. Таке уявлення залишається науковою фантастикою, але чи можна використовувати подібний принцип у набагато менших масштабах, щоб використовувати силу нашого власного Сонця?

Зрештою, за хмарами, у безнічному полум’ї навколоземного космічного простору, є більше безперебійної сонячної енергії, ніж людство може реально знадобитися протягом століть. Ось чому група вчених та інженерів понад 50 років вигадувала методи, щоб уловити цю енергію в космосі та передати її назад на землю.

«Космічна сонячна енергетика», як її відомо, має дві величезні переваги перед традиційними методами використання Сонця та вітру. По-перше, розміщення в космосі супутника для захоплення сонячного світла означає, що нам не потрібно буде покривати величезні ділянки землі сонячними батареями та вітровими електростанціями. По-друге, у нас буде достатній запас енергії, навіть якщо, незважаючи на місцеві погодні умови, похмуро або вщухне вітер.

І це біда сонячної енергії та енергії вітру тут, на Землі: вони ніколи не зможуть задовольнити наші потреби в енергії на постійній основі, навіть якщо їх значно збільшити. Минулого року дослідники з Ноттінгемського університету підрахували, що, якби Великобританія повністю покладалася на ці відновлювані джерела, країні знадобилося б зберігати понад 65 терават-годин енергії. Це коштуватиме понад 170 мільярдів фунтів стерлінгів, що вдвічі більше, ніж майбутня мережа високошвидкісної залізниці країни. (Енергії 14 8524).

Більшість зусиль, спрямованих на реалізацію космічної сонячної енергії, на жаль, стикаються з, здавалося б, нерозв’язними технічними та економічними проблемами. Але часи змінюються. Інноваційні конструкції супутників, а також значно нижчі витрати на запуск раптово роблять космічні сонячні електростанції реалістичним рішенням. Japan записав це в закон як національну мету, тоді як Європейське космічне агентство оголосив конкурс ідей. Китай та США обидва будують випробувальні центри.

Тим часом а консультація, опублікована урядом Великої Британії у 2021 році зробив висновок, що космічна сонячна енергетика технічно та економічно доцільна. Дивно, але вважалося, що це технологічне рішення можна буде застосувати на практиці за 10 років до 2050 року, коли Міжурядова група експертів зі зміни клімату поставила собі за мету «чистий нуль». Отже, чи є космічна сонячна енергія відповіддю на наші кліматичні проблеми? І якщо так, то що заважає цьому стати реальністю?

Космічні мрії

Оригінальна концепція сонячної енергії з космосу була придумана в 1968 році Пітером Глейзером, американським інженером консалтингової компанії Arthur D Little. Він задумав розмістити величезний дископодібний супутник на геостаціонарній орбіті приблизно в 36,000 XNUMX км над Землею. (наука 162 857). Супутник діаметром приблизно 6 км буде складатися з фотоелектричних панелей, які збиратимуть сонячне світло та перетворюватимуть його в електричну енергію. Потім ця енергія буде перетворюватися на мікрохвилі за допомогою лампового підсилювача і передаватися на Землю через передавач діаметром 2 км.

Це єдиний вид екологічно чистої відновлюваної енергії з потенціалом забезпечення безперервної базової електроенергії.

Кріс Роденбек, дослідницька лабораторія військово-морських сил США

Принадність мікрохвиль у тому, що вони не поглинаються хмарами тут, на Землі, і тому в основному (хоча і не повністю) безперешкодно проходитимуть через нашу атмосферу. Глейзер передбачав, що їх збирає фіксована антена діаметром 3 км, де вони перетворюватимуться на електроенергію для мережі. «Хоча використання супутників для перетворення сонячної енергії може відбутися через кілька десятиліть, — написав він, — можна вивчити кілька аспектів необхідної технології як керівництво для майбутніх розробок».

Початкова реакція була позитивною принаймні в деяких колах: НАСА уклало з компанією Глейзера Артур Д Літтл контракт на подальше дослідження. Проте протягом багатьох років висновки наступних досліджень космічної сонячної енергії коливалися від обережно позитивних до зовні негативних.

У 2015 році, наприклад, технологія отримала лише теплий вирок у звіті Інституту стратегічних досліджень (SSI) Військового коледжу армії США, який навів «немає переконливих доказів» того, що космічна сонячна енергія може бути економічно конкурентоспроможною з наземним виробництвом електроенергії. SSI особливо розкритикувала «сумнівні припущення», зроблені його прихильниками щодо доставки такої величезної орбітальної структури в космос. Простіше кажучи, у доповіді зазначено, що ракет-носіїв недостатньо, а ті, що є, занадто дорогі.

Але не дуже радісний вердикт SSI став перед приватними компаніями – особливо SpaceX – почали трансформувати космічну галузь. Поєднавши багаторазові ракетні системи з підходом до досліджень і розробок методом проб і помилок, американська фірма за останнє десятиліття знизила вартість запуску на навколоземну орбіту більш ніж у 10 разів (за кілограм корисного вантажу). ), з планами зменшити його ще на порядок. Те, що SSI вважав основним обмеженням щодо вартості запуску, насправді більше не є проблемою.

Не те, щоб вартість доставки супутника в космос була єдиною проблемою. Початкова концепція Глейзера була оманливо простою з багатьма прихованими проблемами. По-перше, коли супутник обертається навколо Землі, кут між Сонцем, апаратом і точкою на Землі, до якої надсилається енергія, постійно змінюється. Наприклад, якщо геостаціонарний супутник навчений на Землі, його фотоелектричні установки будуть повернуті до Сонця опівдні, але спиною до Сонця опівночі. Іншими словами, супутник не виробляв би електроенергію весь час.

Оригінальним рішенням цієї проблеми було безперервне обертання фотоелектричних панелей відносно мікрохвильових передавачів, які залишалися б нерухомими. Тоді фотоелектричні панелі завжди будуть спрямовані на Сонце, а передавачі завжди будуть спрямовані на Землю. Вперше запропоноване в 1979 році NASA як розвиток ідей Глейзера, це рішення було розширено в пропозиції 2015 року інженерами Китайської академії космічних технологій у Пекіні, які назвали його Multi-Rotary Joints Solar Power Satellite, або MR-SPS (рисунок 1).

Між тим, Джон Менкінс, колишній інженер NASA, у 2012 році винайшов конкурентне рішення SPS Альфа, його ідея полягала в тому, щоб тримати сонячні панелі та передавач нерухомими, але встановити численні дзеркала навколо панелей (рис. 2). Ці дзеркала, відомі як геліостати, могли б обертатися, постійно перенаправляючи сонячне світло на сонячні батареї, дозволяючи таким чином супутнику безперервно постачати електроенергію на Землю.

Однак ні MR-SPS, ні SPS Alpha не є задовільними Ян Кеш, директор та головний інженер в International Electric Company Limited в Оксфордширі, Великобританія. Колишній розробник електронних систем в автомобільному, аерокосмічному та енергетичному секторах, Кеш десять років тому звернув увагу на приватну розробку чистих, великомасштабних джерел енергії. Спочатку спокушений потенціалом ядерного синтезу, його відштовхнули «справді складні» проблеми, і він швидко зупинився на космічній сонячній енергії як на найбільш практичному варіанті.

Для Кеша проблема як з MR-SPS, так і з SPS Alpha полягає в тому, що їм доводиться повертати одні частини супутника відносно інших. Тому кожна частина повинна бути фізично з’єднана з іншою і потребуватиме шарнірного суглоба, який рухається. Проблема в тому, що під час використання таких супутників, як Міжнародна космічна станція, такі з’єднання можуть вийти з ладу через знос. Відмова від шарнірних з’єднань зробить супутник на сонячній енергії більш надійним, підсумував Кеш. «Я хотів з’ясувати, що знадобиться, щоб отримати твердотільний розчин, який завжди бачить Сонце та Землю», — каже він.

До 2017 року Кеш це зрозумів, принаймні він стверджує. Його Концепція CASSIOPeiA це супутник, який, по суті, виглядає як гвинтові сходи, де фотоелектричні панелі є «східцями», а мікрохвильові передавачі — стержнеподібні диполі — є «сходками». Його продумана спіральна геометрія означає, що CASSIOPeiA може приймати та передавати сонячну енергію 24 години на добу без рухомих частин (рис. 3).

Кеш, який має намір отримати прибуток від CASSIOPeiA шляхом ліцензування відповідної інтелектуальної власності, заявляє про багато інших переваг своєї концепції. Запропонований ним супутник може бути побудований із сотень (і, можливо, тисяч) менших модулів, з’єднаних між собою, причому кожен модуль вловлює сонячну енергію, перетворює її електронним способом на мікрохвилі, а потім передає на Землю. Привабливість цього підходу полягає в тому, що якби якийсь один модуль зазнав удару космічних променів або космічного сміття, його збій не вивів би з ладу всю систему.

Ще одна перевага CASSIOPeiA полягає в тому, що нефотоелектричні компоненти постійно перебувають у тіні, що мінімізує розсіювання тепла – те, що є проблемою в безконвекційному вакуумі космосу. Нарешті, оскільки супутник завжди орієнтований на Сонце, він може займати більше типів орбіт, включно з високоеліптичними. Тоді він був би часом ближче до Землі, ніж якби він був геостаціонарним, що робить його дешевшим, оскільки вам не потрібно масштабувати конструкцію на основі такого величезного передавача.

Можливо, не дивно, що конкуренти Кеша не згодні з його оцінкою. Манкінс, який зараз базується в Рішення для управління інноваціями Artemis в Каліфорнії, США, заперечує, що шарнірні геліостати в його концепції SPS-Alpha є проблемою. Натомість він стверджує, що вони є «простим розширенням [] дуже зрілої технології», яка вже використовується для концентрації сонячного світла для нагрівання рідин і приводу турбін у «сонячні вежі» тут, на Землі. Він також вважає, що подвійні дзеркала, необхідні CASSIOPeiA, можуть бути проблемою, оскільки вони повинні бути дуже точно побудовані.

«Я високо поважаю Ієна та його роботу; його нещодавня концепція CASSIOPeiA є однією з кількох дуже схожих за характером, включаючи SPS-Alpha», — каже Манкінс. «Однак я не згоден з його очікуванням, що CASSIOPeiA виявиться кращим за SPS-Alpha». Для Менкінса найкращий підхід до космічної сонячної енергії зрештою залежатиме від результатів проектів розвитку, причому фактична вартість кіловат-години електроенергії тут, на Землі, є вирішальним фактором.

Масштабований і вражаючий

Інтерес до космічної сонячної енергії отримав додатковий поштовх на хвилі Звіт уряду Великобританії за 2021 рік у технологію, що навряд чи могло бути більш позитивним щодо концепції. Він був розроблений інженерами британської консалтингової компанії Фрейзер-Неш, який листувався з низкою експертів з космічної техніки та енергетики, включаючи винахідників SPS Alpha, MR-SPS і CASSIOPeiA.

У звіті зроблено висновок, що супутник CASSIOPeiA шириною 1.7 км на геостаціонарній орбіті передає сонячне випромінювання на відстань 100 км.² масив мікрохвильових приймачів (або «ректен»), розташованих тут, на Землі, генерував би 2 ГВт постійної потужності. Це еквівалентно потужності великої звичайної електростанції. Це також набагато краще, ніж, скажімо, існуюче ВЕС London Array в гирлі Темзи, який приблизно на 25% більший, але генерує середню потужність ледве 190 МВт.

Однак більш вражаючим був економічний аналіз звіту. Базуючись на оцінці, згідно з якою розробка та запуск повнорозмірної системи обійдеться в 16.3 мільярда фунтів стерлінгів, і враховуючи мінімальну норму прибутку від інвестицій у 20% у річному обчисленні, було зроблено висновок, що космічна сонячна енергетична система може протягом свого приблизно 100-річного терміну служби виробляти енергію за £50 за МВт-год.

Фрейзер-Неш каже, що це на 14–52% дорожче, ніж нинішня наземна енергія вітру та сонця. Але, що важливо, це на 39–49% дешевше, ніж біомаса, атомна енергія чи найефективніші газові джерела енергії, які на даний момент є єдиними, що можуть запропонувати безперебійну електроенергію «базового навантаження». Автори звіту також заявили, що їхня консервативна оцінка витрат «очікується, що вона зменшуватиметься в міру розвитку».

"Це неймовірно масштабоване", - каже Мартін Зольтау Фрейзера-Неша, одного з авторів. І оскільки рівень сонячного світла в космосі навколо Землі набагато яскравіший, ніж внизу, він вважає, що кожен сонячний модуль збирав би в 10 разів більше, ніж якщо б був встановлений на землі. У звіті стверджується, що Великій Британії знадобиться загалом 15 супутників – кожен із власною ректеною – щоб забезпечити чверть енергетичних потреб країни до 2050 року. Кожна ректена може бути розташована поряд або навіть у межах існуючої вітрової електростанції.

Якщо цю схему розширити, вона, в принципі, могла б задовольнити понад 150% усього світового попиту на електроенергію (хоча стійке енергопостачання зазвичай диктує широкий спектр джерел). Космічна сонячна енергія, додає Солтау, також матиме набагато менший вплив на навколишнє середовище, ніж наземні відновлювані джерела енергії. Вуглецевий слід був би невеликим, вимог до рідкоземельних мінералів було б мало, і, на відміну від вітрових турбін, не було б шуму чи високих видимих ​​споруд.

Якщо все це звучить надто добре, щоб бути правдою, цілком може бути. У звіті Фрейзера-Неша визнається кілька «проблем розвитку», зокрема пошук способів зробити бездротову передачу енергії більш ефективною. Кріс Роденбек, інженер-електрик з Дослідницької лабораторії військово-морських сил США у Вашингтоні, округ Колумбія, каже, що широкомасштабні демонстрації технології досягти важко. Вони вимагають постійних інвестицій і цілеспрямованого розвитку електронних компонентів, таких як потужні випрямні діоди, які недоступні.

На щастя, бездротова передача енергії розвивається десятиліттями. У 2021 році команда Роденбека передала 1.6 кВт електроенергії на відстань 1 км з ефективністю перетворення мікрохвиль в електрику 73%. На перший погляд, це менш вражаюче, ніж найпотужніша на сьогодні демонстрація бездротової енергії, яка відбулася в 1975 році, коли співробітники Голдстоунська лабораторія NASA в Каліфорнії перетворили мікрохвилі 10 ГГц на електрику з ефективністю понад 80%. Важливо, однак, що Роденбек використовував мікрохвилі з низькою частотою 2.4 ГГц, які зазнавали б набагато менших атмосферних втрат у космосі.

Щоб протидіяти вищій дифракції (розповсюдженню променя), яка природним чином виникає на нижчих частотах, дослідники використовували навколишню місцевість, щоб «відбивати» мікрохвилі до масиву приймача, тим самим покращуючи щільність потужності на 70% (IEEE J. Microw. 2 28). «Ми провели [тест] досить швидко та дешево під час глобальної пандемії», — каже Роденбек. «Ми могли досягти більшого».

Для початкового будівництва знадобиться цілодобова фабрика в космосі з конвеєром, подібним до автомобільного заводу на Землі.

Ян Гао, Університет Суррея

Роденбек оптимістично дивиться на перспективи космічної сонячної енергії. У той час як ядерний синтез, як він стверджує, «стикається з основними проблемами фізики», космічна сонячна енергія — і бездротова передача енергії — просто «стикається з доларами». «[Це] єдина форма зеленої відновлюваної енергії з потенціалом для забезпечення безперервної базової електроенергії», — стверджує Роденбек. «За винятком технічного прориву [у] керованому ядерному синтезі, здається дуже ймовірним, що людство використовуватиме космічну сонячну енергію для майбутніх енергетичних потреб».

Проте слід застереження Ян Гао, космічний інженер з Університету Суррея у Великобританії, який визнає, що «самий масштаб» запропонованої космічної системи «дуже вражає». Вона вважає, що для початкового будівництва цілком може знадобитися «цілодобова фабрика в космосі, зі складальною лінією, як автомобільна фабрика на Землі», ймовірно, з використанням автономних роботів. Що стосується утримання об’єкта після його будівництва, Гао каже, що це буде «вимогливо».

Для Кеша вирішальною є орбіта, на якій буде займати космічний енергетичний супутник. Геостаціонарний сонячний супутник буде настільки далеко від Землі, що для ефективної передачі енергії йому знадобляться величезні та дорогі передавачі та ректени. Але, скориставшись перевагами кількох супутників на коротших, дуже еліптичних орбітах, каже Кеш, інвестори могли б реалізувати менші робочі системи на основі концепції CASSIOPeiA з часткою капіталу. SPS Alpha та MR-SPS, навпаки, мають бути повнорозмірними з першого дня.

Чи вистачить волі?

І все ж найбільша проблема для космічної сонячної енергії може бути не економічною чи технічною, а політичною. У світі, де значна кількість людей вірить у теорії змови навколо мобільної технології 5G, передача гігават мікрохвильової потужності з космосу на Землю може виявитися непростою справою, незважаючи на те, що максимальна інтенсивність променя становить ледве 250 Вт/м.², що становить менше чверті від максимальної сонячної інтенсивності на екваторі.

Насправді у звіті Великобританії визнається, що його прихильникам необхідно перевірити суспільний апетит і «курувати розмову» навколо ключових ідей. Але є також реальні технічні та соціальні міркування. Де будуть розташовані ректенни? Яким чином супутники будуть виведені з експлуатації після закінчення терміну служби без додавання до космічного сміття? Чи залишиться місце в мікрохвильовому спектрі для чогось іншого? І чи буде система вразливою до атак?

Після свого звіту Уряд Великобританії оприлюднив фонд у 3 мільйони фунтів стерлінгів щоб допомогти промисловості розробити деякі з ключових технологій. Колишній бізнес-секретар Квасі Квартенг заявив, що космічна сонячна енергія «може стати доступним, чистим і надійним джерелом енергії для всього світу». Ця сума грошей навряд чи піде далеко на справу такого масштабу, тому Солтау допоміг створити бізнес під назвою Космічний Сонячний, яка сподівається залучити початкові 200 мільйонів фунтів стерлінгів від приватних інвесторів.

Тим часом те, що він називає «співпрацею бажаючих», Космічна енергетична ініціатива, зібрала науковців, інженерів та державних службовців з понад 50 наукових установ, компаній та державних органів, які працюють на громадських засадах щоб допомогти привести працюючу систему в життя. SpaceX ще немає в списку, але Soltau стверджує, що привернула увагу американської компанії. «Вони дуже зацікавлені», — каже він.

Готівка не сумнівається, що інвестиції знайдуться. Наземні відновлювані джерела енергії не можуть забезпечувати безперебійну електроенергію базового навантаження без надзвичайно дорогої інфраструктури акумуляторів, тоді як ядерна енергія завжди стикається з жорсткою опозицією. Кеш вважає, що космічна сонячна енергія є життєво важливою частиною суміші, якщо ми хочемо досягти нуля чистої енергії, і просити людей використовувати менше енергії — це «небезпечна ідея». Більшість війн велися через уявну нестачу ресурсів», — каже він. «Якщо ми не шукатимемо, як підтримувати цивілізацію, альтернатива буде дуже страшною».