Идея космической солнечной энергии (SBSP) существует как минимум с конца 1960-х годов. Этот тип захвата энергии использует спутники для сбора солнечной энергии и передачи ее в точки сбора на Земле. Несмотря на свой огромный потенциал, эта концепция не получила достаточного распространения из-за проблем с ценами и технологиями.
С учетом достижений последних десятилетий можно ли решить некоторые из этих проблем сейчас? Если это так, космическая солнечная энергия может стать жизненно важной частью перехода мира к зеленой энергетике и отказу от ископаемого топлива.
Читать далее:
Солнечная энергетика не является чем-то новым
Энергия уже улавливается напрямую с помощью того, что мы обычно называем солнечной энергией, включая различные технологии, такие как фотоэлектрическая энергия (PV) и солнечная тепловая энергия. Энергия Солнца также собирается косвенным образом: примером этого является энергия ветра, поскольку бризы возникают в результате неравномерного нагрева атмосферы Солнцем.
Но эти формы производства зеленой энергии имеют ограничения. Они занимают много места на суше и ограничены доступностью света и ветра. Например, солнечные фермы не собирают энергию ночью и улавливают меньше энергии зимой и в пасмурные дни.
Космическая солнечная энергия и конец этим ограничениям
- Фотоэлектрические панели на орбите не будут ограничены ранним вечером.
- Спутник на геостационарной орбите — круговой орбите на высоте около 36 000 км над Землей — подвергается воздействию Солнца более 99% времени в течение года.
- Это позволяет ему производить зеленую энергию 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.
- Этот тип спутника идеален, когда мощность необходимо передать с космического корабля на сборщик энергии или наземную станцию, поскольку спутники здесь неподвижны относительно Земли.
- Считается, что к 2050 году со спутников на геостационарной орбите будет доступно в 100 раз больше солнечной энергии, чем прогнозируется глобальная потребность человечества в энергии.
- Для передачи энергии, собранной в космосе, на Землю требуется беспроводная передача энергии.
- Использование микроволн для этого сводит к минимуму потери энергии в атмосферу даже в облачное небо.
- Микроволновой луч, посылаемый спутником, направляется на наземную станцию, где антенны преобразуют электромагнитные волны обратно в электричество.
- Наземная станция должна будет иметь диаметр 5 км или более в высоких широтах.
- Однако это все равно меньше, чем площади суши, необходимые для производства того же количества энергии с использованием солнечной или ветровой энергии.
Новые концепции
Со времени первой концепции Питера Глейзера в 1968 году было предложено множество проектов. В космической солнечной энергии энергия преобразуется несколько раз (свет в электричество, микроволны в электричество), и некоторая часть ее теряется в виде тепла. Чтобы подать в сеть 2 гигаватта (ГВт) электроэнергии, спутнику потребуется собрать около 10 ГВт мощности.
Недавняя концепция под названием CASSIOPeiA состоит из двух регулируемых отражателей шириной 2 км. Они отражают солнечный свет на массив солнечных панелей. Эти передатчики энергии диаметром около 1700 метров могут быть направлены на наземную станцию. Предполагается, что спутник может иметь массу 2000 тонн.
Другая архитектура, SPS-ALPHA, отличается от CASSIOPeiA тем, что солнечный коллектор представляет собой большую конструкцию, образованную множеством небольших модульных отражателей, называемых гелиостатами, каждый из которых может перемещаться независимо. Они производятся массово для снижения затрат.
В 2023 году ученые Калифорнийского технологического института запустили MAPLE, небольшой спутниковый эксперимент, который передал небольшое количество энергии обратно в Калифорнийский технологический институт. MAPLE доказал, что эту технологию можно использовать для питания Земли.
Глобальный интерес
Космическая солнечная энергия может сыграть решающую роль в достижении целей углеродной нейтральности в нескольких странах, что показывает, что интерес к этой форме использования зеленой энергии может быть огромным. Это происходит главным образом потому, что оно обеспечивает безопасное и стабильное энергоснабжение.
Более того, применение этой концепции потенциально может создать рабочие места. Европейское космическое агентство в настоящее время оценивает возможность использования космической солнечной энергии в рамках своей инициативы SOLARIS. За этим может последовать полный план развития технологии до 2025 года.
Некоторые страны недавно объявили о своем намерении передать энергию на Землю к 2025 году, перейдя к более крупным системам в течение следующих двух десятилетий.
Так что же мешает?
Если технология готова, почему ее не используют? Главным ограничением является огромное количество массы, которую необходимо запустить в космос, и ее стоимость за килограмм. Такие компании, как SpaceX и Blue Origin, разрабатывают сверхмощные ракеты-носители, уделяя особое внимание повторному использованию частей этих аппаратов после полета. Это может снизить стоимость работы до 90%.
Даже при использовании корабля SpaceX Starship, который может вывести 150 тонн груза на низкую околоземную орбиту, космическому спутнику для сбора солнечной энергии потребуются сотни запусков. Некоторые компоненты, такие как длинные структурные фермы — структурные элементы, рассчитанные на большие расстояния, — могут быть напечатаны на 3D-принтере в космосе.
Вызовы и риски
Реализация этих планов на практике будет сложной задачей, и риски еще предстоит полностью оценить. Хотя производимая электроэнергия полностью зеленая, последствия загрязнения от сотен тяжелых запусков предсказать сложно.
Более того, управление такой большой структурой в космосе потребует значительного количества топлива, а инженеры будут работать с иногда очень токсичными химикатами. Фотоэлектрические солнечные панели будут подвержены деградации, что приведет к снижению эффективности с течением времени на 1–10% в год.
Однако техническое обслуживание и дозаправка могут продлить срок службы спутника практически на неопределенный срок. Микроволновой луч, достаточно мощный, чтобы достичь Земли, также может повредить все на своем пути. В целях безопасности плотность мощности луча придется ограничить.
Задача создания подобных платформ в космосе может показаться сложной, но использование солнечной энергии в космосе технологически осуществимо. Чтобы быть экономически жизнеспособным, он требует крупномасштабных инженерных разработок и, следовательно, долгосрочных и решительных обязательств со стороны правительств и космических агентств.
Однако при наличии всего этого космическая солнечная энергия может внести фундаментальный вклад в достижение углеродной нейтральности к 2050 году, обеспечивая чистую и устойчивую энергию из космоса.
Смотрели ли вы новые видео на YouTube от Olhar Digital? Подпишитесь на канал!