Космическая солнечная энергетика и перспективы развития альтернативной энергетики на орбите

К началу 2022 года ряд космических агентств, среди которых, в частности, ESA, NASA и JAXA, заявили о своем желании возобновить исследования в области космической солнечной энергетики (Solar-based Solar power, SBSP). Добыча энергии на орбите и ее последующая передача на Землю при помощи микроволнового излучения может стать будущим альтернативной энергетики. Однако прежде чем это осуществится, аэрокосмическим инженерам необходимо будет решить несколько технически сложных задач.

Мы разобрались, насколько реальной и экономически рентабельной является космическая солнечная электростанция SBSP, и как эта технология может помочь человечеству в дальнейшем полностью отказаться от ископаемых энергоресурсов.

Принцип работы и типы орбитальных электростанций

В основе процесса получения космической солнечной энергии лежит принцип ее сбора на земной орбите при помощи спутников солнечной энергии (Solar Power Satellites, SPS), оснащенных массивами фотоэлектрических элементов.

Поступающий на солнечные панели спутников свет способствует выработке электроэнергии, которая впоследствии конвертируется в микроволновое излучение высокой интенсивности и передается на специальные принимающие микроволновые антенны (ректенны), установленные на Земле. Там микроволны снова конвертируются в электричество и распределяются конечным потребителям посредством линий электропередачи.

Для организации процесса беспроводной передачи энергии на Землю SPS-спутники могут использовать как лазерные, так и микроволновые излучатели. Предполагается, что солнечные спутники, использующие микроволновое излучение, смогут функционировать на высоте не более 35 000 км (MEO), в то время как лазерные SPS будут орудовать куда ниже, на высотах порядка 400 км над Землей (LEO).

Поскольку лазерные SPS имеют значительно меньшие в сравнении с микроволновыми размеры, их запуск будет намного дешевле. Ощутимый минус здесь — зависимость эффективности лазерной передачи энергии от погодных условий: в облачную погоду и дождь лазерный луч может быть рассеян при прохождении через плотные грозовые облака, что характерно существенными потерями в мощности передаваемой на Землю энергии. Энергоэффективность одного лазерного SPS может составить от 1 до 10 МВт, чего будет достаточно для обеспечения потребности в энергоресурсе локальных объектов, таких как лунные или марсианские орбитальные станции и наземные базы.

Микроволновые SPS могут генерировать значительно большую мощность, которая составит 1 ГВт электроэнергии, чего хватит для обеспечения потребности в электричестве города средних размеров. В отличие от лазерной, микроволновая передача энергии не зависит от погодных условий, ведь такие высокочастотные волны с легкостью проходят через плотные облака, практически не теряя при этом энергию.

Наряду с существенными преимуществами микроволновых SPS существуют и недостатки, главными из которых являются колоссальные размеры как самих космических солнечных электростанций, так и приемного оборудования, расположенного на Земле. Так, для достижения мощности в 1 ГВт диаметр волнового приемника на Земле должен составить несколько километров.

Помимо этого, запуск таких массивных объектов пока не представляется возможным (либо же сложно реализуем). Это означает, что сборка микроволновых солнечных орбитальных электростанций должна будет происходить на орбите и потребует от строителей сотен космических запусков составных модулей, которые также нужно будет собирать на орбите. А высота орбиты в 35 000 км в настоящее время делает фактически невозможным техническое обслуживание и ремонт подобных электростанций. Однако энергетическая эффективность, которую позволят вырабатывать подобные SPS, все еще значительно превышает существующие трудности, и работа над ними продолжается, причем все возрастающим количеством игроков.

Основные преимущества SBSP

В сравнении с наземными солнечными панелями, процесс преобразования солнечного излучения в электрическую энергию на орбите имеет такие преимущества:

- Отсутствие земной атмосферы, которая поглощает и рассеивает от 30 до 50% поступающего на нее солнечного излучения. В космосе данной проблемы не существует, а интенсивность солнечного излучения в космическом вакууме приблизительно в 10 раз выше, нежели на Земле. Это напрямую влияет на возможное количество электроэнергии, которую смогут генерировать солнечные панели на орбите.

- Периоды суточного обращения Земли — наземные солнечные панели неэффективны в ночное время суток, а также малоэффективны в облачную погоду. У спутников солнечной энергии не будет такой проблемы, и они смогут принимать и преобразовывать в электричество солнечный свет 24 часа в сутки (за исключением нескольких минут в день, когда Земля будет проходить между SPS-спутником и Солнцем).

- Солнечные панели SPS-спутников всегда могут быть направлены строго на Солнце — таким образом обеспечивается максимальный коэффициент поглощения солнечного излучения. Следовательно, космические аппараты смогут выработать и передать на Землю большее количество электроэнергии.

- Возможность передачи энергии с одного SPS-спутника на приемные станции, находящиеся в разных уголках мира. Данная возможность может свести к нулю расходы на транспортировку электроэнергии. Больше не нужно будет передавать электричество посредством километров линий электропередачи, достаточно просто направить спутник на нужную приемную станцию на Земле и использовать полученную энергию сразу по месту ее потребления.

- Экологически чистая электроэнергия — следует понимать, что именно альтернативная и возобновляемая энергетика на сегодняшний день является единственной альтернативой ископаемым энергоресурсам. Развитие космическиих солнечных электростанций может минимизировать уровень выбросов углеродов в атмосферу, а в отдаленном будущем позволит полностью отказаться от электростанций, способствующих карбоновому загрязнению атмосферы. В условиях растущей угрозы глобального потепления именно солнечная энергетика является единственной вменяемой альтернативой на пути к достижению независимости от ископаемых энергоресурсов.

Продолжающаяся тенденция к удешевлению космических запусков и выводу полезной нагрузки на орбиту может существенно приблизить появление космических солнечных электростанций уже в следующие 10 лет. Однако, для того чтобы это стало осуществимым, необходимо устранить ряд серьезных инженерных проблем.

Главные инженерные вызовы: потери от преобразования и безопасность

Перед тем как первые орбитальные электростанции будут выведены на орбиту, их ведущим инженерам и проектировщикам сперва предстоит решить довольно сложные технические задачи. Прежде всего речь идет о преобразовании электрической энергии в микроволновое либо лазерное излучение. Процесс конвертации энергии не является на 100% эффективным, и влечет за собой потери в мощности отсылаемой на Землю электроэнергии. В то же время в момент поступления микроволнового излучения на приемное оборудование на Земле преобразование должно быть выполнено еще раз (из микроволнового излучения в электричество), что опять повлечет за собой потери в мощности. Сейчас именно эта задача является краеугольным камнем, тормозящим реализацию амбициозных проектов SBSP.

Помимо вопроса преобразования энергии, инженерам надо будет в деталях проработать новую концепцию орбитальной безопасности при использовании SPS. Сильное микроволновое излучение способно повлиять на работу авиатранспорта, который случайно может пройти через микроволновый луч. И если этот вопрос вполне реально решать в авиадиспетчерских, то проблема отслеживания и утилизации космического орбитального мусора стоит более остро. Столкновение космической солнечной электростанции с метеоритами и другим орбитальным хламом может отклонить микроволновый луч спутника и направить его в не оборудованные для приема области на Земле.

В решении вопроса сбора космического мусора призван помочь ряд инициатив, в том числе проект, финансируемый ESA. Космический аппарат по сбору и утилизации орбитального мусора получил название ClearSpace-1. В 2025 году он попытается захватить и направить в атмосферу вторую ступень полезной нагрузки, оставленную ракетой Vega в 2013 году. Сумма контракта, заключенного с ClearSpace SA, составила $86 млн.

Кроме орбитальных мусоросборщиков, рассматриваются инициативы отклонения орбиты космического мусора при помощи лазерных установок, расположенных на Земле. При правильной организации заблаговременного обнаружения подобных объектов, расчете их траектории движения и наличии методов для препятствования столкновению с SPS можно достичь должного уровня безопасности космических электростанций.

Последней, но не менее сложной задачей, как уже было описано выше, являются колоссальные размеры солнечных орбитальных электростанций. Площадь одного микроволнового SPS может составлять приблизительно 10 кв. км. Для строительства таких гигантских инженерных сооружений потребуются прочные и сверхлегкие материалы, которые можно будет вывести на орбиту поэтапно, при помощи запуска созвездий спутников-модулей, из которых впоследствии и построят электростанцию. В качестве вероятной альтернативы рассматривается возможность 3D-печати отдельных модулей электростанции прямо на орбите с их последующей сборкой по месту печати. Подобные разработки способны существенно удешевить строительство космических солнечных электростанций, фактически доведя количество запусков, необходимых для их развертывания на орбите, до одного — запуска станции для 3D-печати модулей.

Как видим, вопрос рентабельности технологии SBSP на сегодняшний день упирается в стоимость запуска, композитных материалов, постройки и обслуживания подобных электростанций в условиях космоса. Если в ближайшем будущем человечество сможет приблизиться к разрешению проблем, приведенных выше, а объемы вырабатываемой орбитальной энергии превысят аналогичные объемы от наземных солнечных электростанций, технологии SBSP, очевидно, будет дан зеленый свет. И над этим уже сегодня активно работают космические компании по всему миру.

Опыт космических агентств мира и будущее технологии

Европейское космическое агентство в начале 2022 года выступило с инициативой возродить исследования возможности производства космической солнечной электроэнергии. Это стало следствием кампании ESA, направленной на развитие чистой космической энергетики. Во время кампании рассмотрено 85 заявок, из которых 13 идей были сочтены новаторскими и отобраны для последующего финансирования. В частности, кампания затронула основную проблематику SBSP, связанную с новыми концепциями космических электростанций для энергоснабжения Земли, а также будущих лунных и марсианских баз.

Заинтересованы и бывшие члены ЕС. Как сообщает британская The Times, в настоящее время правительство Великобритании рассматривает возможности по выделению £16 млрд в рамках инициативы Net Zero, направленной на разработку низкоуглеродной энергетики.

В США в проекте Space Solar Power Project уже ведутся разработки солнечных панелей высокой эффективности, а также новых технологий по конверсии электрической энергии в микроволновое излучение.

Австралийский космос тоже заинтересован в развитии орбитальной солнечной энергетики. Компания Solar Space Technologies разрабатывает свой SPS-Alpha, состоящий из множества строительных блоков, которые должны быть выведены и впоследствии смонтированы на орбите. К 2027 году мы должны увидеть первую версию SPS-Alpha, которая займется решением вопроса австралийской энергетической безопасности.

Группа специалистов из JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) уже разработала теоретическую базу для орбитальных солнечных систем, которые будут способны преобразовывать энергию в волновое излучение с минимальным коэффициентом энергетических потерь. При привлечении должного финансирования проект может воплотиться в реальность уже в ближайшее десятилетие.

А вот китайские специалисты в области аэрокосмического сектора разрабатывают свою концепцию SSPS (Space Solar Power System аналог SBSP), которая получила название OMEGA. Система состоит из четырех основных элементов: сферического солнечного коллектора, массива из гиперболоидных фотоэлектрических (PV) элементов, системы управления и распределения мощности (PMAD), а также микроволновой антенны передачи. OMEGA имеет очень долгосрочную перспективу и может появиться на околоземной орбите не ранее 2050 года. Однако ждать ее, очевидно, стоит: предполагается, что китайская космическая солнечная электростанция будет способна генерировать и передавать на Землю до 2 ГВт электроэнергии, что в настоящее время эквивалентно работе ≈6,25 млн солнечных панелей наземного базирования. Сегодня технология космической солнечной энергетики SBSP по-прежнему в самом начале своего пути, но растущая потребность в энергоресурсах (которая, по прогнозам, к 2050 году увеличится на 50%), а также проблематика изменения климата побуждает многие космические агентства и частные компании активизировать усилия в этом направлении. К середине текущего века мы увидим первые практические результаты этой работы, которая имеет все шансы занять главную нишу в альтернативной энергетике будущего.

Японский спутник настроят на передачу солнечной энергии на Землю

Япония намерена передать солнечную энергию из космоса на Землю в 2024 году, спустя два года после запуска аналогичного проекта американскими инженерами. В потенциале технология поможет жителям планеты отказаться от ископаемого топлива и предотвратить борьбу с изменением климата.

В рамках эксперимента в Японии построят небольшой спутник весом примерно 180 кг, способный передавать до одного киловатта энергии с высоты 400 км. Этого хватит для питания бытового прибора вроде небольшой посудомоечной машины в течение часа.

На спутнике будет задействована бортовая фотоэлектрическая панель площадью два квадратных метра для зарядки аккумулятора. Следом накопленная энергия будет преобразована в микроволны и передана на приёмную антенну на Земле. Передача энергии займёт всего несколько минут, но после того, как батарея разрядится, для её подзарядки потребуется несколько дней.

Технология станет частью проекта под названием OHISAMA (в переводе с японского — «Солнце»). Проект планируется к запуску в 2025 году. Учёные уже продемонстрировали беспроводную передачу солнечной энергии на Землю от стационарного источника и планируют провести схожие опыты с самолёта, оснащённого идентичной фотоэлектрической панелью, которая может передавать энергию на расстояние от 3 до 4 миль.