Космические электростанции дразнят землян огромной энергией
истощение и Экспоненциальный рост населения природных ресурсов заставляют учёных придумывать самые немыслимые проекты по спасению планеты. Один из них – космические электростанции, передающие на Землю энергию Солнца при помощи микроволнового излучения. Разработка эта не столь фантастична, как может показаться на первый взгляд.
В полной мере быть может, что лет через тридцать на геостационарной орбите обоснуется группировка объектов, любой из которых будет подозрительно напоминать «Звезду смерти». Необъятные зеркальные крылья, что-то наподобие электромагнитной пушки и наземная приёмная антенна километров десять в диаметре – так будет смотреться совокупность глобального энергоснабжения.
Вернее, таковой её воображали конструкторы ещё в 1970-х. И уже тогда это не было научной фантастикой! В связи с энергетическим кризисом правительство США выделило $20 миллионов агентству NASA и компании Boeing на проработку проекта огромного спутника SPS (Solar Power Satellite).
Километровая полоса условной поверхности на высоте геостационарной орбиты приобретает в год около 212 тераватт энергии, что сопоставимо с суммарной энергетической сокровищем всех разведанных запасов нефти, составляющей около 250 тераватт-лет (иллюстрация NSS).
По расчётам учёных, один аппарат SPS владел бы базисной «орбитальной» мощностью (baseload power) около пяти тысяч милионов ватт, из которых, по окончании всех утрат, две попадало конечным потребителям. Для сравнения: мощность наибольшей в Российской Федерации Саяно-Шушенской ГЭС образовывает 6400 милионов ватт. Цифры сопоставимые.
Действительно, оценочная цена проекта, по слухам, составила около триллиона долларов… Вердикт – «экономически нецелесообразен». Но с того времени производительность одних лишь фотоэлементов выросла многократно – с 10% до 40% (правильнее, до 42,8%), не говоря уже о прогрессе в микроэлектронике.
И это не осталось незамеченным: Национальное космическое общество (NSS) представило на рассмотрение Минобороны США (DoD) доклад, в котором совершён анализ возможностей развития космической энергетики и обрисован концептуальный прообраз будущей орбитальной электростанции.
Давайте разберемся, что же мешает запустить её прямо на данный момент.
Предполагаемый спутник будет оснащён лёгкими зеркалами на базе тонкоплёночной оптики. Эти зеркала фокусируют солнечный свет на панели солнечных батарей для выработки электричества, которая, со своей стороны, преобразуется микроволновое сверхвысокочастотное излучение. Увы, это не настоящий проект, а всего лишь концепт, созданный совместно экспертами NSS и дизайнерами из Mafic Studios.
Кстати, тут возможно отыскать анимированную версию презентации проекта (иллюстрация NSS/Mafic Studios).
Главное преимущество энергосистемы в открытом космосе – высокая эффективность. поглощение и Рассеивание света его энергии атмосферной молекулами и водой газов, входящих в состав воздуха, отнимают около 35% энергии фотонов. Но самое основное – непостоянство источника излучения: речь заходит о зависимости от времени дней, погоды и сезона.
Все эти факторы снижают суммарный потенциал наземной солнечной батареи на 75-90%, другими словами на порядок. Одновременно с этим на геостационарной орбите спутник будет пребывать в рабочем режиме фактически круглый год, с малыми перерывами в энергоснабжении на протяжении равноденствия – да и то на 75 мин..
Для обеспечения «собирательной» функции нового аппарата под кодовым именем SBPS (Space–Based Solar Power) предлагаются два источника: уже неоднократно испытанные на простых спутниках фотоэлементы, и тепловые двигатели. Вариант с солнечными батареями именно и продвигает NSS.
Второй, более неприхотливой разработкой есть простой тепловой агрегат, преобразующий свет в энергию при помощи его фокусировки – оптической линзой, к примеру. Но у него имеется значительный недочёт: маленькое отклонение спутника, кроме того на пара градусов, приведёт к резкому падению мощности, впредь до нуля.
Да и удельная эффективность фотовольтаики несопоставимо выше – от 10 до 0,5 кг/кВ. Фактор массы доставляемого на орбиту груза играется не последнюю роль в осуществимости проекта.
Микроволны смогут передаваться через воздух Почвы на частоте от 2,45 до 5,8 гигагерца. Оптимальным считается нижний диапазон – предстоящее повышение частоты (и пропорциональное уменьшение размеров передатчика) невыгодно, потому, что сверхвысокочастотное излучение имеет более большой уровень атмосферной адсорбции (иллюстрация NSS/Mafic Studios).
Второй ответственной функцией SBPS – по порядку, но не по значению, – есть беспроводная энергопередача. У большинства эта разработка ассоциируется с таинственными лучами Теслы и другими чуть ли не мистическими явлениями.
В действительности изучения в этом направлении вправду были в первый раз предприняты великим сербским изобретателем. Но с того времени много времени прошло, и сейчас передача импульса микроволновым лучом не есть чем-то сверхъестественным.
Ещё на протяжении проработки насовского проекта в Лаборатории реактивного перемещения (JPL) удалось достигнуть эффективности 82% — как раз таковой КПД зарегистрировали устройства при передаче 30 киловатт на расстояние в одну милю ещё в 1975 году.
Помой-му неприятностей нет. И однако у применения микроволновой передачи, в отличие от солнечных батарей, имеется последовательность ограничений.
Лучи из космоса захватываются ректенной и преобразуются обратно в электричество. Что касается последнего, наземного компонента орбитальной электростанции, то тут особенных технологических затруднений учёные не видят.
Тем более что КПД антенных решёток если сравнивать с первыми опытами вырос в несколько раз – до 50% и более (иллюстрация NSS/Mafic Studios).
Во-первых, это требования к размеру антенны. Расчёты продемонстрировали, что самая эффективной будет передача на частоте 2,45 гигагерца – это разрешает поддерживать оптимальное соотношение приёмника и размеров передатчика. Но кроме того в этом случае диаметр спутникового трансмиттера составит один километр, а наземного приёмника – десять километров.
Во-вторых, электроники, талантливой действующий при очень высоких температурах (под действием прямых солнечных лучей) и делать преобразование электричества в микроволновое излучение, пока не существует. Согласно точки зрения экспертов из NSS, неприятность не выглядит нерешаемой, но, как говорится, не определишь, пока не попытаешься.
Ну и, в-третьих, сама возможность действенной передачи сигнала с орбиты, не обращая внимания на оптимизм разных групп разработчиков, не в полной мере очевидна. Не смотря на то, что сравнительно не так давно на Гавайях удалось осуществить трансмиссию импульса на расстояние 148 километров – выше официальной границы между космосом и земной атмосферой.
Потому, что излучение неионизирующее, неприятностей при «прохождении» ионосферы теоретически появиться не должно. Но вот удастся ли, с учётом адсорбции и рассеивания, удержать КПД трансляции на приемлемом уровне – до тех пор пока вопрос открытый.
самые противоречивыми вопросами являются, конечно, угроза и экология безопасности людей. На иллюстрации антенная решётка выглядит просто-таки идиллически. К сожалению, авторы проекта ничего не показывают, что случится, в случае если «прицел собьётся». Напротив, предусмотрена опция передачи микроволнового луча с одного передатчика на пара антенных решёток.
Считается, что опыты на животных не подтвердили вероятного негативного влияния – на Земле интенсивность микроволн будет равна примерно одной шестой от интенсивности солнечного света в 12 часов дня (иллюстрация NSS).
В сухом остатке, в случае если отбросить сомнения в осуществимости беспроводной космической передачи, – только экономика. С размером передатчика мы уже успели ознакомиться. Площадь солнечных батарей будет ещё больше.
Как всё это притащить в космос, да ещё и собрать? Вот в чем главная причина. По расчётам NSS, при нынешней стоимости запуска киловатт энергии неимеетвозможности «весить» больше 3-6 килограммов.
В верхнюю границу этого диапазона, считают американцы, проект укладывается – дело только в волевом решении и деньгах правительства.
Цена человеко-часов (а для монтажа пригодится немыслимое количество трудящихся в открытом космосе) заменена в технико-экономическом обосновании роботизированной самосборкой. Что также вызывающе большие сомнения, потому, что только бог ведает, будет ли всё это трудиться в действительности.
Однако авторы проекта полны оптимизма. По оценкам Джона Мэнкинса (John Mankins), ранее трудившегося над подобной программой в NASA, при условии выделения финансирования в 2009-м демонстрационную модель спутника мощностью 100 милионов ватт удастся запустить в 2017 году. А уже к 2020-му (максимум к 2025-му) в космос полетят пять комплексов суммарной мощностью 20 гигаватт.
Вверху – концепт демонстрационной модели спутника SBPS. Внизу – космостанция, которую, по-видимому, нужно будет строить для установки орбитальных электростанций. Ещё и минералы на Луне добывать желают. Конкретные цифры никто не именует, но цена проекта робко оценивают на одном уровне с МКС, другими словами около $39 миллиардов.
Но и этого, вероятнее, не хватит – лишь затраты на запуск кое-какие эксперты оценивают в $20 миллиардов (иллюстрация NSS).
Но это составит всего лишь около 2% ежегодного электропотребления в Соединенных Штатах, так что, по всей видимости, останавливаться на пяти электростанциях лоббисты космической программы не планируют. Что ж, японцы, напомним, также нацелились на 2030 год со своим замыслом. Так что какие-то подвижки в данной сфере в скором будущем должны случиться.
Вероятнее, упрочнения нужно будет объединить – по примеру МКС. Американцы с этим, в принципе, согласны. Да и программу масштабных космических стартов решить в одиночку невозможно.
Разве что частные запуски окажут помощь.
В любом случае проект космической электростанции обещает быть одним из главных участников «другой» гонки, на финише которой человечество ожидает заметить ответ собственных энергетических неприятностей.
