Технология передачи солнечной энергии из космоса на Землю

Несмотря на множество проблем, технология генерации солнечной энергии в космосе и передачи ее обратно на Землю посредством микроволновых лучей может помочь человечеству избежать зависимости от ископаемого топлива.

Моделирование космической солнечной электростанции SPS-ALPHA. Фото: NASA — Моделирование космической солнечной электростанции SPS-ALPHA. Фото: *NASA*

По данным Science Alert , идея космической солнечной энергетики (SBSP), которая использует спутники для сбора энергии Солнца и передачи её на Землю, существует как минимум с конца 1960-х годов. Несмотря на огромный потенциал, эта идея не получила широкого распространения из-за высокой стоимости и технологических сложностей. Если проблема будет решена, SBSP может стать важным элементом перехода мира от ископаемого топлива к зелёной энергетике.

Человечество уже давно использует энергию Солнца, используя различные технологии, такие как фотоэлектрические (ФЭ) и солнечные тепловые (СТЭ). Солнечная энергия также используется косвенно, например, ветровая энергия, которая генерируется за счёт неравномерного нагрева атмосферы Солнцем. Однако эти формы производства зелёной энергии имеют ограничения. Они занимают большие площади и ограничены доступными солнечными лучами и ветром. Например, солнечные электростанции не могут собирать энергию ночью и собирают меньше зимой или в пасмурные дни.

Орбитальные фотоэлектрические системы не ограничены ночью. Спутник на геостационарной орбите (ГСО), круговой орбите на высоте 36 000 км над Землёй, освещается Солнцем более 99% года. Это позволяет ему производить зелёную энергию круглосуточно. ГСО идеально подходит для передачи энергии с космического корабля на приёмник или наземную станцию, поскольку спутник остаётся в одном и том же положении относительно Земли. Исследователи утверждают, что объём солнечной энергии, доступный на ГСО, в 100 раз превышает предполагаемую глобальную потребность человечества в электроэнергии к 2050 году.

Для передачи энергии, собранной в космосе, на Землю требуется беспроводная передача. Использование микроволн для передачи энергии минимизирует атмосферные потери, даже в облачную погоду. Микроволновый луч, передаваемый спутником, фокусируется на наземной станции, где антенна преобразует электромагнитные волны в электричество. Диаметр наземной станции в высоких широтах должен составлять не менее 5 км. Однако это всё ещё меньше площади земли, чем потребовалось бы для производства того же количества электроэнергии с помощью солнечной или ветровой энергии.

С тех пор, как Питер Глейзер впервые предложил эту идею в 1968 году, исследователи предложили множество проектов SBSP. В SBSP энергия преобразуется несколько раз (свет — электричество — микроволны — электричество), и часть её теряется в виде тепла. Чтобы обеспечить сеть 2 гигаваттами (ГВт), спутнику потребуется собрать около 10 ГВт.

Недавняя разработка под названием CASSIOPeiA включает в себя два регулируемых рефлектора шириной 2 км. Они отражают солнечный свет на ряд солнечных элементов. Затем на наземную станцию может быть направлена генераторная система диаметром 1700 м. Вес спутника оценивается в 2000 тонн.

Другая конструкция, SPS-ALPHA, отличается от CASSIOPeiA тем, что солнечный коллектор представляет собой большую конструкцию, состоящую из множества небольших модульных отражателей, называемых гелиостатами, каждый из которых может двигаться независимо. Для снижения стоимости они производятся серийно.

В 2023 году учёные Калифорнийского технологического института запустили MAPLE — эксперимент с малогабаритным спутником, передающим небольшие объёмы электроэнергии обратно в институт. MAPLE продемонстрировал, что эту технологию можно использовать для передачи электроэнергии обратно на Землю.

Европейское космическое агентство в настоящее время оценивает осуществимость SBSP в рамках своей инициативы SOLARIS и планирует полностью разработать технологию к 2025 году. Другие страны также недавно объявили о планах поставлять электроэнергию на Землю к 2025 году и перейти к более крупным системам в течение двух десятилетий.

Главными недостатками SBSP являются огромная масса, необходимая для запуска в космос, и стоимость за килограмм. Такие компании, как SpaceX и Blue Origin, разрабатывают ракеты-носители большой грузоподъёмности, ориентированные на повторное использование многих компонентов ракеты после полёта. Это может снизить стоимость запуска на 90%. Даже с ракетой-носителем SpaceX Starship, способной выводить 150 тонн груза на низкую околоземную орбиту, для спутников SBSP всё равно потребуются сотни запусков. Некоторые компоненты разработаны с учётом масштабируемости и могут быть напечатаны на 3D-принтере в космосе.

Миссия SBSP будет сложной и потребует полной оценки рисков. Хотя вырабатываемая электроэнергия будет полностью экологичной, воздействие сотен запусков на окружающую среду сложно предсказать. Кроме того, управление такой крупной конструкцией в космосе потребует большого количества топлива, что вынудит инженеров работать с токсичными химикатами. Солнечные элементы будут подвержены деградации, их эффективность со временем будет снижаться на 1–10% в год. Однако техническое обслуживание и дозаправка могут продлить срок службы спутника. Микроволновый луч, достаточно мощный для достижения Земли, может повредить всё на своём пути. В целях безопасности плотность энергии микроволнового луча должна быть ограничена.

Ан Кханг (согласно Science Alert )

Ссылка на источник