Исследование: солнечная энергия космического базирования технологически осуществима

Идея солнечной энергии космического базирования (SBSP) – использования спутников для сбора энергии Солнца и «передачи» ее в точки сбора на Земле – существует, по крайней мере, с конца 1960-х годов. Несмотря на свой огромный потенциал, эта концепция не получила достаточного распространения из-за стоимости и технологических препятствий.

Можно ли решить некоторые из этих проблем сейчас? Если это так, SBSP может стать жизненно важной частью мирового перехода от ископаемого топлива к зеленой энергетике.

Мы уже собираем энергию Солнца. Он собирается непосредственно с помощью того, что мы обычно называем солнечной энергией. Сюда входят различные технологии, такие как фотоэлектрическая энергия (PV) и солнечная тепловая энергия. Солнечная энергия также собирается косвенным путем: примером этого является энергия ветра, поскольку бризы возникают в результате неравномерного нагрева атмосферы солнцем.

Но эти зеленые формы производства электроэнергии имеют ограничения. Они занимают много места на суше и ограничены доступом света и ветра. Например, солнечные фермы не собирают энергию ночью и собирают меньше ее зимой и в пасмурные дни.

Солнечные батареи на орбите не будут ограничены наступлением ночи. Спутник на геостационарной орбите (GEO) – круговой орбите высотой около 36 000 км над Землей – подвергается воздействию Солнца более 99% времени в течение всего года. Это позволяет ему производить зеленую энергию 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.

GEO идеально подходит для случаев, когда энергию необходимо отправить с космического корабля на сборщик энергии или наземную станцию, поскольку спутники здесь неподвижны по отношению к Земле. Считается, что к 2050 году на ГЕО будет доступно в 100 раз больше солнечной энергии, чем предполагаемые глобальные потребности человечества в электроэнергии.

Для передачи энергии, собранной в космосе, на землю требуется беспроводная передача энергии. Использование для этого микроволн сводит к минимуму потери энергии в атмосфере, даже в облачное небо. Микроволновой луч, посылаемый спутником, будет направлен 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 земли, необходимые для производства того же количества энергии с использованием солнечной или ветровой энергии.

С момента появления первой концепции Питера Глейзера в 1968 году было предложено множество проектов.

В SBSP энергия преобразуется несколько раз (свет в электричество, микроволны в электричество), и часть ее теряется в виде тепла. Чтобы подать в сеть 2 гигаватта (ГВт) электроэнергии, спутнику необходимо будет собрать около 10 ГВт мощности.

Недавняя концепция под названием CASSIOPeiA состоит из двух управляемых отражателей шириной 2 км. Они отражают солнечный свет в 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 огромным количеством небольших модульных отражателей, называемых гелиостатами, каждый из которых может перемещаться независимо. Их производят серийно, чтобы снизить стоимость.

В 2023 году ученые из 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 доставки электроэнергии на Землю.

SBSP может сыграть решающую роль в достижении цели Великобритании по нулевому выбросу к 2050 году, но текущая стратегия правительства не включает это. Независимое исследование показало, что к 2050 году SBSP сможет генерировать до 10 ГВт электроэнергии, что составляет четверть текущего спроса Великобритании. SBSP обеспечивает безопасное и стабильное энергоснабжение.

Это также создаст многомиллиардную индустрию с 143 000 рабочих мест по всей стране. Европейское космическое агентство в настоящее время оценивает жизнеспособность SBSP с помощью своей инициативы SOLARIS. За этим может последовать полный план развития технологии к 2025 году.

Другие страны недавно объявили о намерении передать энергию на Землю к 2025 году, а в течение следующих двух десятилетий перейдут к более крупным системам.

Если технология готова, то почему СБСП не используется? Главным ограничением является огромное количество массы, которую необходимо запустить в космос, и ее стоимость за килограмм. Такие компании, как SpaceX и Blue Origin, разрабатывают тяжелые ракеты-носители, уделяя особое внимание повторному использованию частей этих кораблей после их полета. Это может снизить стоимость предприятия на 90%.

Даже при использовании корабля SpaceX Starship, который может вывести 150 тонн груза на низкую околоземную орбиту, спутнику SBSP потребуются сотни запусков. Некоторые компоненты, такие как длинные структурные фермы – структурные элементы, предназначенные для перекрытия больших расстояний – могут быть напечатаны на 3D-принтере в космосе.

Миссия SBSP будет непростой – и риски все еще необходимо полностью оценить. Несмотря на то, что производимая электроэнергия является полностью экологически чистой, воздействие загрязнения от сотен запусков тяжелых грузов предсказать сложно.

Кроме того, управление такой большой структурой в космосе потребует значительного количества топлива, а для этого инженерам приходится работать с иногда очень токсичными химикатами. Фотоэлектрические солнечные панели будут подвержены деградации, в результате чего эффективность снизится с 1% до 10% в год. Однако обслуживание и дозаправка могут быть использованы для продления срока службы спутника практически на неопределенный срок.

Луч микроволн, достаточно мощный, чтобы достичь земли, также может нанести вред всему, что попадается на пути. Таким образом, в целях безопасности плотность мощности луча придется ограничить.

Задача создания подобных платформ в космосе может показаться сложной, но солнечная энергия космического базирования технологически осуществима. Чтобы быть экономически жизнеспособным, он требует крупномасштабных инженерных разработок и, следовательно, долгосрочных и решительных обязательств со стороны правительств и космических агентств.

Но при наличии всего этого SBSP может внести фундаментальный вклад в обеспечение нулевого уровня выбросов к 2050 году за счет устойчивой, чистой энергии из космоса.