Четверг, 30 июня, 2022

Мы считаем, что мир 2051 — это мир без войны.

Луч Солнца золотого: как работает космическая электростанция

Время на чтение 5 мин.

В рассказе Айзека Азимова «Логика» (в оригинале — Reason) действие происходит на космической электростанции. Спутник собирает солнечную энергию, преобразует ее и посылает в виде луча на приемную станцию на поверхности Земли в виде луча. Удивительно, но такая технология не только не противоречит законам физики, а прямо сейчас разрабатывается. Инженеры настолько близко подошли к ее реализации, что Великобритания планирует выделить на строительство космической электростанции 16 млрд фунтов стерлингов — проект включен в правительственную программу инвестиций Net Zero, чья цель к 2050 году выйти на нулевой уровень углеродных выбросов.

Движение вверх

Сама по себе солнечная энергетика уже давно не новость. Электростанции, состоящие из панелей, преобразующих свет в электричество, уже успешно эксплуатируются во многих странах как в промышленном, так и в индивидуальном масштабе.

Проблема в том, что мы по-прежнему преобразуем в доступное электричество лишь небольшую часть поступающего на планету солнечного света. У этого есть две причины.

Первая причина — наша атмосфера. Без нее жизнь на планете была бы невозможна — воздушная оболочка пропускает в основном видимый свет и инфракрасное излучение, задерживая большую часть ультрафиолета. Однако при этом отражается и часть видимого света, а еще часть рассеивается. В целом, поверхности Земли достигает только 45 % солнечного излучения.

Вторая причина — хотя технология постоянно совершенствуется, так что КПД солнечных электростанций все увеличивается и увеличивается, современные солнечные панели могут преобразовать в электричество только 20 % поступившего на них света. У них есть теоретический предел КПД — 29,4 %. Когда он будет достигнут, видимо, придется изобретать новую технологию.

А пока новая технология только разрабатывается, есть предложение исключить «вредное» воздействие атмосферы, вынеся солнечные панели в космос. Такой аппарат должен быть размещен на геостационарной орбите (то есть как бы «зависнуть» над одной точкой на поверхности планеты).

Кладовая Солнца

Итак, технология комической солнечной электростанции выглядит следующим образом.

На геостационарной орбите размещается аппарат (спутник или целая орбитальная станция), на котором установлены фотоэлементы – солнечные панели, преобразующие энергию попадающих на них фотонов в электрическую.

Также на этом аппарате должно находиться устройство, передающее выработанное электричество на Землю. Для такой беспроводной передачи энергии планируется использовать лазеры или микроволновое излучение. В целом, диапазон частот для подобного устройства довольно широк. Для того чтобы передача была безопасной, частота волны должна быть меньше ультрафиолета (именно с него начинается ионизирующее излучение, способное повредить живые клетки).

На Земле волны, передаваемые с орбиты, принимает специальное устройство – ректенна. Оно преобразует их в постоянный ток, который и подается в сеть.

Одна из самых важных проблем подобного проекта – стоимость и, соответственно, долгий срок окупаемости. Предполагается, что космическую электростанцию будут собирать прямо на орбите из модулей, доставляемых с Земли. Поэтому в себестоимость энергии включаются и космические запуски. Они очень дорогие, а для создания действительно мощной электростанции потребуется доставить в космос десятки модулей. Также это означает, что станция не будет стопроцентно экологичной.

Эксплуатация космического  аппарата также будет сопряжена с трудностями. Солнечные панели могут быть повреждены мелкими космическими телами или мусором, поцарапаны космической пылью. Со временем эти повреждения приведут к существенному снижению генерации. Поэтому необходимо предусмотреть возможность замены поврежденных панелей. Видимо, в этом поможет робот-манипулятор, которым также необходимо оснастить космическую станцию.

Также станции понадобятся собственные двигатели для корректировки орбиты, ведь попадающие на панели фотоны будут толкать ее вниз, а луч, передающий энергию на Землю, — вверх.

Волновая передача электроэнергии сопряжена с большими потерями. На нынешнем уровне развития этой технологии порядка 50 % полученной энергии будет потеряно при передаче.

Невзирая на трудности, проекты космической солнечной электростанции уже разрабатываются.

Уже в проекте

Еще в 1968 году американский исследователь Питер Глейзер опубликовал в журнале Science статью «Энергия из Солнца: ее будущее», в которой теоретически обосновал возможность подобной технологии. В 1970-е NASA проводило исследования в этой области. На тот момент идею признали технически осуществимой, но экономически не целесообразной.

Луч Солнца золотого: как работает космическая электростанция
Космическая солнечная электростанция в представлении NASA. Изображение: nasa.gov

Время шло, появились более эффективные и сверхлегкие солнечные панели и многоразовые космические корабли, которые позволят сильно снизить стоимость проекта. В частности, проект Space Solar Power разрабатывает новые фотоэлементы специально для космической электростанции.

Также о планах на строительство подобного аппарата заявляет Китай. Не позднее 2025 года страна планирует запустить экспериментальный спутник, к 2030-му – полноценную электростанцию на несколько мегаватт, а к 2050-му достичь и гигаваттной мощности.

Подобный проект предлагало и российское НПО имени Лавочкина. Оно предлагало создать группировку спутников, а энергию передавать в коротковолновом диапазоне. Подобная технология позволит существенно уменьшить размеры как генератора на спутниках, так и антенны-приемника на Земле.

Ну и не будем забывать об упомянутых в начале статьи британцах. Видимо, человечество вплотную подошло к реализации космической солнечной электростанции. Остается дождаться момента, когда такие проекты перестанут стоить бешеные миллиарды долларов.