Солнечные электростанции в космосе могут обеспечить мир безграничной энергией

Находясь на поверхности Земли, общество все еще борется за принятие решений в области солнечной энергии, многие ученые утверждают, что гигантские космические солнечные фермы могут обеспечить экологически безопасный ответ на мировой энергетический кризис.

Только на прошлой неделе мы сообщили, что Китай планирует построить первую в мире солнечную электростанцию, которая будет размещена на орбите Земли. Поскольку солнце всегда светит в космосе, орбитальная солнечная электростанция рассматривается как неиссякаемый источник чистой энергии.

«Над Землей нет дневного и ночного цикла, нет облаков, погоды или чего-либо еще, что могло бы помешать солнечному лучу, поэтому имеется постоянный источник энергии», - сказал Али Гаджимири, профессор электротехники из Калифорнийского технологического института соруководитель проекта космической солнечной энергетики университета.

Предлагаемая космическая солнечная батарея SPS-ALPHA, изображение и концепция любезно предоставлены Джоном К. Мэнкинсом. ДЖОН К. МЭНКИНС

Сбор солнечной энергии в космосе и беспроводная передача были впервые описаны Исааком Азимовым в 1941 году в его рассказе « Разум» . В 1968 году американский аэрокосмический инженер Питер Глейзер опубликовал первую техническую статью о концепции «  Сила солнца: ее будущее» в журнале «Наука».

Космическая солнечная энергия привлекла большое внимание в 1970-х годах, когда были разработаны необходимые отдельные технические компоненты - в основном, фотоэлектрические элементы, спутниковые технологии и беспроводная передача энергии. Несмотря на техническую осуществимость концепции, в то время она считалась экономически нереальной, и исследования в конечном итоге зашли в тупик.

«Идея, похоже, переживает возрождение, и это, вероятно, потому, что технология существует, чтобы воплотить ее в жизнь», - сказал Джон Мэнкинс, бывший ученый НАСА, который был в авангарде этой области в 1990-х годах, прежде чем ее оставили.

Аэрокосмический инженер Питер Глейзер впервые написал об этой идее в 1968 году. 

Глобальные потребности в энергии будут только расти, говорит Гадзимири. Согласно докладу Организации Объединенных Наций , ожидается, что к 2050 году численность населения мира достигнет ошеломляющих 9,6 млрд. Человек , поэтому необходимо найти методы получения большого количества чистой энергии. Космическая солнечная энергетическая система может обеспечить энергией каждого, даже в местах, где круглый год не светит солнце, например в Северной Европе и России.

ЧИТАЙТЕ ТАК ЖЕ: Как Вселенная расширилась до 46 миллиардов световых лет всего за 13,8 миллиарда лет?

В апреле 2015 года исследовательское соглашение между Northrop Grumman и Caltech предоставило до 17,5 млн. Долл. США для разработки инноваций, необходимых для создания космической солнечной энергетической системы. Три профессора Caltech возглавляют проект: к Гадзимири присоединились Гарри Атватер и Серхио Пеллегрино.

Caltech - это всего лишь одно учреждение, занимающееся разработкой этой технологии. Мы знаем, что ученые из Чунцинского совместного научно-исследовательского института гражданской и военной интеграции в Китае строят установку для проверки теоретической жизнеспособности концепции, и о планах разработки орбитальной фотоэлектрической батареи было объявлено в Японии некоторое время назад.

Одной из самых больших проблем, которые необходимо преодолеть, является получение массива солнечных батарей, достаточно больших, чтобы сделать проект жизнеспособным на орбиту. В ранних концептуальных проектах 1970-х годов использовались гигантские массивы, которые было бы очень трудно вывести на орбиту.

«Системы 70-х годов для спутников на солнечной энергии, по оценкам стоимости, в то время предполагали, что до первого киловатт-часа может потребоваться до триллиона долларов из-за того, как работали конструкции. платформа, интегрированная монолитная платформа размером с Манхэттен », - сказал Манкинс.

Однако из-за того, что SpaceX и Blue Origin постепенно снижают стоимость орбитальной доставки, концепция внезапно становится немного ближе к реальности.

«Переходя к модульным системам для массового производства, я считаю, что это был ответ на вопрос о том, как снизить стоимость спутников на солнечной энергии до чего-то более разумного», - сказал Манкинс.

Концепция многоповоротного SPS (MR-SPS) - это концепция с несколькими независимыми солнечными подрешетками, используемыми для указания на солнце. НАСА

Детали предложенных планов Китая не были обнародованы, но большинство концептуальных проектов, которые существуют сегодня, основаны на идее, что фотоэлектрическая батарея состоит из легкой, развертываемой структуры, состоящей из множества меньших "солнечных спутников", которые могут легко соединяться вместе в космосе. сформировать гораздо больший массив и «собрать солнечный свет». Кроме того, этот подход также значительно упрощает сборку, техническое обслуживание и ремонт.

«Я видел презентацию о том, что они [Китай], по-видимому, делают. Я не могу гарантировать, что это действительно так, но это было ими, о космической солнечной системе. То, что я видел, похоже, является традиционным подходом, что похоже на то, что люди сейчас обдумывают ", - сказал Гадзимири.

Этот законченный массив будет вращаться вокруг 22 000 миль над Землей и "излучать" энергию обратно на поверхность. Фотоэлектрическая матрица преобразует солнечный свет в электричество, которое, в свою очередь, преобразуется в радиочастотную электроэнергию (микроволны), которая передается по беспроводной сети на наземные приемники. Они будут иметь форму гигантских проволочных сетей размером до четырех миль в поперечнике, которые могут быть установлены через пустыни или сельскохозяйственные угодья или даже над озерами.

По оценкам Манкинса, солнечная электростанция, подобная этой, может генерировать постоянный поток в 2000 гигаватт электроэнергии по сравнению с крупнейшей солнечной фермой, существующей сегодня в Асуане, на юге Египта, которая генерирует только в районе 1,8 гигаватта.

Маловероятно, что солнечная батарея может быть превращена в «луч смерти», подобный тому, который можно увидеть в « Бриллиантах навсегда» . MGM / UNITED ARTISTS

Находящаяся на орбите солнечная батарея, собирающая и хранящая огромное количество энергии, которая излучается на поверхность ... Вы были бы прощены, если бы думали, что это может быть сюжет фильма о Джеймсе Бонде, если бы этот массив был каким-то образом вооружен.

К счастью, это  не так.

«Плотность энергии не будет превышать то, что вы обычно получаете. Она точно не будет превышать то, что вы получаете от солнца», - сказал Гадзимири.

Микроволны, которые передают энергию на поверхность, будут иметь так называемую частоту неионизирующего излучения. «Это означает, что частоты таковы, что, в отличие от рентгеновских лучей, это частоты, на которых их фотоны не имеют достаточно энергии, чтобы вызвать химические изменения, как это делают ультрафиолетовые или рентгеновские лучи», - сказал Гадзимири.

«Я работал над беспроводными передатчиками энергии, которые работали бы в диапазоне микроволновых частот, примерно от 2 гигагерц до 8 гигагерц, примерно. Длины волн порядка 10 - 2 дюймов. Эти длины волн электромагнитного излучения могут проходить через атмосферу Земли В том числе облака и погода, без перерыва, без помех ".

Тем не менее, Манкинс ожидает, что все еще могут быть некоторые проблемы. «Всегда есть проблема геополитики. Потому что, когда вы находитесь на экваториальной орбите, на геостационарной орбите Земли, вы можете видеть большую часть Земли под вами. вещь."

Команда Caltech успешно проверила свои доказательства концепции на месте, их фотоэлектрические прототипы продемонстрировали, что они могут собирать и передавать по беспроводной сети 10 гигагерц, поэтому следующим шагом является проведение уменьшенных экспериментов в космосе.

Самая большая проблема состоит в том, чтобы максимально уменьшить массу, не жертвуя эффективностью. Конечно, это также помогло бы снизить стоимость, что, вероятно, все еще является самым большим препятствием.

«Надеюсь, мы сможем испытать его в космосе через пару лет», - сказал Гадзимири.

«Космическая солнечная энергия изменила бы наше будущее в космосе и могла бы обеспечить новый источник практически неограниченной и устойчивой энергии для рынков по всему миру», - сказал Манкинс. "Почему бы нам не заняться этим?".