Как будут работать космические солнечные электростанции?

Некоторые ученые считают, что люди могли бы получать чистую энергию, собирая ее с помощью солнечных панелей в космосе и отправляя вниз на Землю. Некоторые отраслевые стартапы вроде калифорнийского Solaren прогнозируют, что это станет реальностью к концу десятилетия.

Японское аэрокосмическое агентство также планирует строительство космической энергостанции. Мало того, что такой источник будет постоянным, сама энергия будет чистой и неограниченной (пока горит Солнце, а это долго).

Как правило, мы представляем солнечные панели на крыше дома, преобразующие солнечный свет в энергию в дневное время. Звучит неплохо, но у наземных солнечных панелей есть свои недостатки. Они не работают в ночное время или если небо слишком облачное. Плюс наша атмосфера защищает поверхность Земли от большей части солнечной энергии, отражая часть света обратно в космос.

Теперь представьте, что мы можем доставить солнечные панели на околоземную орбиту — на 35 000 километров вверх.

«Если вы поставите солнечные панели в космосе, они будут работать 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 99,9% времени в году, — рассказал Пол Яффе, космический инженер Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, в интервью Business Insider. Поскольку ось вращения Земли смещена, Яффе говорит, что «даже на ночной стороне Земли, где может быть спутник, всегда будет солнечно».

Яффе предсказывает, что отдельные космические солнечные батареи смогут производить от 250 МВт до 5 ГВт энергии. Но поскольку Солнце — это непрерывный возобновляемый источник, «общее количество произведенной энергии стремится к бесконечности». Крупный город, столица государства, требует примерно 20 гигаватт энергии. По расчетам Яффе, четыре массива солнечных батарей, каждый на 5 гигаватт, смогут питать целый город круглый год. Стоимость строительства одного солнечного массива неизвестна, но наверняка обойдется в сотни миллионов долларов. Однако как только будет построен первый, второй будет уже значительно дешевле.

Энергетический кризис 1970-х годов заставил США искать альтернативные источники энергии, поскольку стало ясно, что нефть является весьма ограниченным ресурсом, а ее добыча очень зависит от международной политики. Как говорит Яффе, в свое время и NASA, и Министерство энергетики посчитали космические солнечные электростанции возможными, но очень, очень дорогими.

В последующие годы многие страны заинтересовались космической солнечной энергетикой, включая Японию, Китай и несколько европейских стран.

«Многие люди заинтересовались этим, но тогда было куда меньше технических возможностей и аппаратных средств», — говорит Яффе.

В 2009 году секретарь военно-морского флота США Рэй Мабус поставил ряд задач по снижению зависимости ВМС от иностранной нефти и увеличению использования альтернативных источников энергии. В том же году Яффе получил финансирование от научно-исследовательской лаборатории ВМС США, чтобы улучшить технологию, которая преобразовывала бы солнечную энергию, собранную в космосе, в другую форму энергии, которую можно было бы передать на Землю.

Как работает технология?

Хотя технология нуждается в усовершенствовании, основная идея довольно проста. Солнце посылает фотоны, энергетические пакеты света, во всех направлениях. Обычная солнечная панель преобразует эти фотоны в электроны постоянного электрического тока. Потом постоянный ток преобразуется в переменный и передается через электрическую сеть.

В космосе большой проблемой является то, как завести эту энергию в сеть.

С солнечными батареями в космосе ученым нужно найти самый эффективный способ передачи постоянного тока от солнечных отражателей на Землю. Ответ: электромагнитные волны вроде тех, что используются для передачи радиочастот или разогрева еды в микроволновой печи.

«Люди могут не связывать радиоволны с передачей энергии, потому что думают о них в связи с коммуникациями, радио, телевизорами или телефонами. Они не думают о них как о переносчиках энергии», — говорит Яффе. Но мы знаем, что микроволны (одна из разновидностей электромагнитных волн) переносят энергию — их энергия нагревает нашу еду.

Яффе называет технологию, над которой работает, модулем «сэндвич». На рисунке ниже показаны похожие на зеркала солнечные отражатели, концентрирующие фотоны солнца на массиве модулей типа сэндвич. Верхняя часть сэндвича получает солнечную энергию. Антенны на нижней боковой балке посылают радиоволны на Землю.

Изображение выше выполнено без соблюдения масштабов. Модули-сэндвичи должны быть три метра длиной, но их понадобится порядка 80 000. Массив таких модулей будет длиной в девять футбольных полей, примерно с километр. Это в девять раз больше, чем Международная космическая станция.

Вернувшись на Землю, содержащие энергию радиочастоты от космических солнечных панелей будут приниматься специальной антенной — ректенной — которая может быть три километра в диаметре.

«Она будет похожа на поле, усеянное проводами. Эти элементы ректенны будут принимать входящие радиоволны и преобразовывать их в электричество», — говорит Яффе.

Мощный пучок радиоволн можно отправить в любое место на Земле, так как направление пучка можно изменить с помощью метода под названием «ретродирективное управление лучом». Достаточно отправить «пилотный сигнал» из центра принимающей станции. Спутник видит сигнал и перенастраивает передатчик для передачи радиоволн на земную станцию.

Огромным преимуществом такой системы как для военных, так и гражданских лиц будет возможность передачи энергии на удаленные базы и места, куда будет логистически сложно и невероятно дорого доставлять дизельное топливо.

Гигантский луч энергии из космоса

Гигантский пучок радиоволн, идущих вниз от космоса на Землю, может напугать большинство людей, которые видели, как инопланетный корабль использует такие лучи, чтобы взрывать города. Но на самом деле вы даже не увидите радиолуч невооруженным глазом — радиосигналы текут вокруг нас повсюду и во всех направлениях.

Хотя эти радиосигналы содержат больше энергии, чем сигнал телевизора или радио, плотность сигнала все равно будет довольно низкой и не будет угрожать людям, самолетам или птицам, пролетающим через него. Конечно, технология еще не была проверена вне лаборатории, поэтому реальных доказательств ее безопасности пока нет.

Основной проблемой такой системы остается ее стоимость. И эта проблема касается всех участвующих сторон, будь то правительство, частные или коммерческие финансовые фонды.

Трудно сказать, сколько будет стоить полномасштабная реализация космической системы солнечной станции, но явно не меньше сотен миллионов долларов. Есть определенный предел того, насколько большой объект мы можем запустить в космос, да и ракеты тоже стоят недешево. Международную космическую станцию, например, строили в космосе по частям, поскольку не было достаточно большой или мощной ракеты, чтобы запустить полную систему в космос.

Задача Яффе — произвести прототип одной секции модуля «сэндвич», но не закончить проект. Он также тестирует модули в условиях, подобных космическим, чтобы гарантировать, что они смогут противостоять и продолжать работать в невероятной теплоте солнца в космосе.

Яффе пытается найти спонсоров, чтобы обеспечить финансирование продолжению своего проекта. Но подчеркивает, что долгосрочные энергетические проекты довольно сложно продавать, особенно когда он не может показать людям технологию в действии. Яффе считает, что реальным мотиватором будет международная конкуренция, как в 1950-х годах, когда Россия разработала первый спутник и обогнала США в космической гонке. Теперь же, похоже, Япония планирует выйти в этом проекте первой.

Даже без финансирования на государственном уровне небольшие предприятия вроде Solaren полагают, что космические солнечные станции станут реальностью в ближайшем будущем. Гари Спирнка, генеральный директор Solaren, строил долгую карьеру как в правительственном, так и частном секторе космической инженерии.