Орбитальная электростанция: между фантастикой и планированием

Сможет ли Китай поставлять энергию на Землю прямо из космоса

Средства массовой информации Китая рассказали о намерении страны построить орбитальную солнечную электростанцию и начать передачу энергии из космоса на Землю уже к 2030 году. Так что можно прекращать качать нефть и добывать уголь, впереди мир ждет много чистой, возобновляемой, а в перспективе очень дешевой электроэнергии? «Известия» разобрались в ситуации.

Солнце. Практически неисчерпаемый источник энергии под боком у человечества. Проекты использования солнечной энергии человечество копит с античности, и до последних лет пятидесяти их все отличали два основных критерия: принципиальная возможность и неэффективность. Панели солнечных батарей были созданы уже более ста лет назад, но и до сих пор количество солнечных электростанций в общем количестве энергообеспечения нашей планеты относительно невелико.

Есть несколько серьезных причин, мешающих повсеместному распространению солнечных электростанций. Во-первых, это атмосфера и погодные явления, сильно снижающие эффективность использования. Даже в самый ясный день земная атмосфера минимум на 36% уменьшает количество получаемого фотоэлементами солнечного света, а про плохую погоду, когда фотоэлементы практически бесполезны, и говорить не стоит.

Еще одна серьезная проблема — это невозможность использовать солнечную энергию постоянно. В ночное время электростанция опять же стоит без дела, что приводит к ее сильному удорожанию. Требуется наличие аккумуляторов для хранения выработанной за дневное время энергии и специальной сети подстанций для сглаживания пиков потребления.

Кроме того, солнечные электростанции обладают большей эффективностью при расположении ближе к экватору, в идеале в пустынях, а значит, требуется передавать энергию к пользователям на значительные расстояния. Остаются еще регулярная необходимость очистки фотоэлементов или зеркал от пыли, необходимость постоянно поворачивать их для максимального получения солнечных лучей и до кучи вопросы экологов. Большую часть этих проблем можно было бы решить, просто запустив солнечную электростанцию в космос, что и собирается сделать Китай. Впрочем, при этом возникнет много других, возможно, еще более сложных вопросов.

Космический концепт

Судя по имеющейся информации, ничего кардинально нового китайцы пока не придумали. Подобные идеи выдвигаются учеными и инженерами по всему миру уже более 70 лет. Если вкратце, предлагается вывести на околоземную орбиту космическую станцию с большим количеством солнечных панелей, которые преобразуют энергию фотонов нашего светила в постоянный электрический ток. Всё точно так же, как на Международной космической станции, только в гораздо больших размерах собственно космического аппарата и количестве получаемой энергии.

Единственным принципиальным отличием является то, что орбита будущей электростанции должна быть геостационарной, она пролегает в 35 786 км от поверхности Земли. Тогда скорость полета электростанции будет совпадать с вращением Земли и станция будет находиться всё время над одним местом на поверхности нашей планеты. На такой же орбите чаще всего работают спутники связи, организующие вещание в конкретном регионе. Кроме того, подобная орбита хороша еще и небольшим количеством космического мусора. На Международной космической станции солнечные панели достаточно быстро (менее чем за 10 лет) выходят из строя и теряют эффективность за счет повреждения фотоэлементов микроскопическими частицами космического мусора.

За счет размещения на орбите, вне действия плотных слоев земной атмосферы, станция окажется гораздо эффективнее, чем земная электростанция таких же размеров. «Если вы поставите солнечные панели в космосе, они будут работать 24 часа в сутки, семь дней в неделю, 99,9% времени в году», — говорит Пол Яффе, космический инженер Научно-исследовательской лаборатории ВМС США, работающий над подобным проектом по заказу американских военных. Его слова приводит Business Insider.

За счет того что в космосе нет атмосферы, солнечные панели работают на 36% эффективнее. За счет отсутствия ночей и плохой погоды работоспособность увеличится еще более чем вдвое.

Кроме того, панели направлены на солнце всегда под идеальным углом. Ученые считают, что космическая солнечная электростанция примерно в восемь раз эффективнее, чем ее земной аналог.

Ток без права передачи

Правда, при космическом расположении появляется новый серьезный вопрос: как передавать электричество на Землю? В настоящее время есть два способа сделать это: лазер и электромагнитные волны вроде тех, что используются для передачи радиочастот или разогрева еды в микроволновой печи. Передача энергии при помощи лазера долго изучалась специалистами NASA, после чего от этой идеи отказались как от неэффективной.

Правда, это было в 80-х годах прошлого века, когда коэффициент полезного действия (КПД) лазеров не превышал 10–20%. С учетом потерь на передачу и преобразование световой энергии в электричество получалось, что потребитель получит лишь несколько процентов от передаваемой изначально энергии.

Однако с появлением новых технологий в начале 2000-х годов ситуация серьезно изменилась. В настоящее время есть инфракрасные лазеры с КПД до 40−50%. Серьезно улучшилось качество фотоэлементов, принимающих энергию лазерного луча (модули на основе арсенида галлия способны преобразовывать в электричество до 40%, а при определенных условиях до 70). Даже в условиях работы в земной атмосфере при помощи лазера можно передавать энергию, например заряжать висящий в воздухе беспилотник (таким проектом, например, в России занимаются Виталий Капранов, Иван Мацак и группа молодых инженеров из Комитета инновационных проектов молодежи (КИПМ) РКК «Энергия»).

В случае с лазерным лучом, бьющим из космоса, тоже особых проблем не будет — на Земле будет построена специальная структура с модулями из арсенида галлия, и они будут максимально эффективно преобразовывать прилетевший из космоса луч в электричество, за счет фотонов определенной длины волны это будет гораздо эффективнее, чем с солнечной энергией.

Кстати, российский ЦНИИмаш шесть лет назад выступал с идеей создания российских космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1–10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. И российские исследователи считают лазерную передачу энергии на Землю более эффективной. Вот что говорит об этом главный научный сотрудник ЦНИИмаша Валерий Мельников: «Значительно меньшая расходимость лазерного луча по сравнению с СВЧ-сигналом дает на порядки меньшую площадь передающих и приемных систем, а из-за малой площади приема появляется возможность энергоснабжения высокоширотных регионов России, Канады, Гренландии и других островов в северных широтах, а также Антарктиды от КСЭС, находящейся на геостационарной орбите».

Второй вариант, который как раз и рассматривают китайцы, — это передача сигнала на Землю при помощи радиоволн. Специальное устройство на солнечной электростанции будет переводить постоянный ток в радиоволны и посылать их массивный пучок на Землю. Проблема в том, что для создания радиоволн требуется специальная каркасная конструкция большого размера.

Практически вся площадь солнечных панелей с обратной стороны будет занята под специальную систему генерирующего радиоволны и передающего их на Землю устройства. На Земле же пучок радиоволн будет улавливаться ректенной (от англ. rectifying antenna — выпрямляющая антенна). Это специальное устройство будет представлять собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на нее волны в энергию постоянного тока. Естественно, что ректенна тоже теряет энергию при получении и переработке радиоволн.

Важно подобрать частоту таким образом, чтобы передача излучения была не ионизирующей во избежание возможных экологических проблем. Именно эту задачу и будут решать китайские ученые в 2021–2025 годах, пытаясь передавать энергию в условиях земной атмосферы. Экспериментальная база для таких опытов уже построена в городе Чунцин. Поэтому можно не бояться, при передаче энергии планету не поджарит гигантской микроволновкой, люди даже не заметят дополнительного излучения. Как не замечаем мы огромного количества радиоволн, постоянно находящихся в атмосфере планеты. Предполагается, что плотность сигнала будет довольно низкой и не будет угрожать людям, самолетам или птицам, пролетающим через него. Однако точно сказать об этом получится лишь после натурных опытов.

По расчетам ректенна получится больше размером, чем специальная станция с фотоэлементами для переработки лазерного луча. А вот как с эффективностью передачи — пока непонятно. Российские ученые настаивают на лазерном варианте, Китай и США — на использовании микроволнового излучения.

Пора или не пора

Так что же тогда удерживает людей от создания экологичных и практически бесперебойных солнечных электростанций? Прежде всего высокая цена проекта. Современные ракеты могут доставить на геостационарную орбиту подобные электростанции только за достаточно большое количество запусков. А ведь их требуется на орбите собирать, и не факт, что это можно сделать без человеческого участия.

Современные подсчеты показывают, что подобные электростанции будут окупаться десятилетиями и дольше, пока на Земле существует множество альтернативных, хоть и гораздо менее наукоемких способов получать электроэнергию.

Китайцы говорят о возможности использования 3D-печати отдельных элементов прямо на орбите, чтобы сэкономить на запусках. Да, первый космический принтер, печатающий объекты прямо на орбите, вот уже несколько лет находится на Международной космической станции, и с его помощью даже было напечатано несколько пластиковых инструментов, однако использовать такой способ для изготовления электростанции прямо в космосе пока не пробовал никто.

Вторая проблема — это эффективность подобной солнечной электростанции. Пока по расчетам вроде получается, что она эффективнее, чем солнечная, расположенная на Земле, даже с учетом множества потерь на передачу электроэнергии. Но как это будет в реальности, без эксперимента не сможет сказать никто.

Источник