Передача солнечной энергии из космоса на Землю скоро может стать реальностью

Идея космической солнечной энергетики (SBSP) – использование спутников для сбора солнечной энергии и передачи ее в точки сбора на Земле — возникла по крайней мере с конца 1960-х годов.

Несмотря на огромный потенциал, эта концепция не получила достаточного распространения из-за стоимости и технологических барьеров.

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

Мы уже получаем энергию от Солнца. Он собирается непосредственно с помощью того, что мы обычно называем солнечной энергией. Это включает в себя различные технологии, такие как фотогальваника (PV) и солнечно-тепловая энергия.

Энергия Солнца также собирается косвенно: примером этого является энергия ветра, потому что бризы генерируются неравномерным нагревом атмосферы Солнце.

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

Солнечные электростанции на орбите не будут ограничены наступлением ночи. Спутник на геостационарной орбите (GEO) — круговой орбите на высоте около 36 000 километров над Землей — подвергается воздействию Солнца более 99 процентов времени в течение всего года. Это позволяет производить зеленую энергию круглосуточно и без выходных.

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

Для передачи энергии, собранной в космосе, на землю требуется беспроводная передача энергии. Использование микроволн для этого сводит к минимуму потери энергии в атмосфере даже при облачном небе.

Микроволновый луч, посылаемый спутником, будет направлен на наземную станцию, где антенны преобразуют электромагнитные волны обратно в электричество. Наземная станция должна иметь диаметр 5 километров или больше в высоких широтах.

Однако это все же меньше площади земли, необходимой для производства такого же количества энергии с использованием солнечной или ветровой энергии.

Развитие концепций

Со времени первой концепции Питера Глейзера в 1968 году было предложено множество дизайнов.

В SBSP энергия преобразуется несколько раз (свет в электричество, микроволны в электричество), и часть ее теряется в виде тепла. Чтобы передать 2 гигаватт (ГВт) мощности в сеть, спутник должен собрать около 10 ГВт мощности.

Недавняя концепция под названием CASSIOPeiA состоит из двух управляемых рефлекторов шириной 2 км. Они отражают солнечный свет в массив солнечных панелей. Эти передатчики мощности диаметром около 1700 метров можно направить на наземную станцию. По оценкам, спутник может иметь массу 2000 тонн.

Другая архитектура, SPS-ALPHA, отличается от CASSIOPEIA тем, что солнечный коллектор представляет собой большую структуру, образованную огромным количеством небольших модульных отражателей. называются гелиостатами, каждый из которых может перемещаться независимо. Они производятся серийно для снижения стоимости.

В 2023 году ученые Калифорнийского технологического института запустили MAPLE, небольшой спутниковый эксперимент, который передал небольшое количество энергии обратно в Калифорнийский технологический институт. MAPLE доказала, что эту технологию можно использовать для доставки электроэнергии на Землю.

Национальные и международные интересы

SBSP может сыграть решающую роль в достижении цели Великобритании по полному нулю выбросов к 2050 году, но текущая стратегия правительства не включает этого.

Независимое исследование показало, что SBSP может производить до 10 ГВт электроэнергии к 2050 году, что составляет четверть текущего спроса в Великобритании. SBSP обеспечивает надежное и стабильное энергоснабжение.

Он также создаст многомиллиардную промышленность с 143 000 рабочих мест по всей стране. Европейское космическое агентство в настоящее время оценивает жизнеспособность SBSP в рамках 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 и перейти к более крупным системам в течение следующих двух десятилетий.

Массивный спутник

Если технология готова, почему не используется SBSP? Основным ограничением является огромное количество массы, которую необходимо запустить в космос, и ее стоимость за килограмм.

Такие компании, как SpaceX и Blue Origin, разрабатывают ракеты-носители большой грузоподъемности, уделяя особое внимание повторному использованию. части этих транспортных средств после того, как они совершили полет. Это может снизить стоимость предприятия на 90 процентов.

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

Проблемы и риски

Миссия SBSP будет сложной — и риски должны быть все еще полностью оценены. В то время как производимая электроэнергия является полностью экологически чистой, воздействие загрязнения от сотен запусков тяжелых грузов трудно предсказать.

Кроме того, управление такой большой структурой в космосе потребует значительного количества топлива, что включает в себя инженеры, работающие с иногда очень токсичными химическими веществами. Фотоэлектрические солнечные панели будут подвергаться деградации, снижая эффективность со временем на 1-10 процентов в год. Однако обслуживание и дозаправка могут быть использованы для продления срока службы спутника почти на неопределенный срок.

Луч микроволн, достаточно мощный, чтобы достичь земли, также может повредить все, что встанет на пути. Таким образом, в целях безопасности плотность мощности луча должна быть ограничена.

Задача создания подобных платформ в космосе может показаться сложной, но космическая солнечная энергия технологически осуществима. Чтобы быть экономически жизнеспособным, требуется крупномасштабное проектирование и, следовательно, долгосрочная и решительная приверженность со стороны правительств и космических агентств.

Но при всем этом SBSP может внести фундаментальный вклад в достижение чистого нуля. к 2050 году с устойчивой, чистой энергией из космоса. ?distributor=republish-lightbox-basic» alt=»Разговор» width=»1″ height=»1″ referrerpolicy=»no-referrer-when-downgrade»>

Маттео Чериоти, Старший преподаватель космических систем, Университет Глазго

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.