Сегодня, 12 апреля, отмечается День космонавтики, ознаменованный в честь первого полета человека в космос. 12 апреля 1961 года советским космонавтом Юрием Гагариным, на корабле “Восток-1”, был совершен первый пилотируемый орбитальный облет планеты Земля, продлившийся 108 минут. Общепризнанно, одно из самых величайших достижений в истории человечества, прорывное событие, подстегнувшее космическую гонку и рост научного прогресса.
Открыв новую эру, эру освоения околоземного космического пространства, ученые умы погрузились в исследования возможностей за пределами Земли, которые представляются настолько же труднодостижимыми, насколько необъятными.
С каждым десятилетием потребности человечества в энергетике растут в астрономических масштабах. Вместе с неумолимым истощением запасов ископаемых видов топлива, мы имеем растущую необходимость в альтернативных источниках энергии. Если предположить, что экономический прогресс и глобализация продолжат развиваться на заданном уровне, то человечеству необходимо будет производить энергии вдвое больше нынешнего стандарта уже к 2030 году, а под конец столетия — вчетверо.
Вопрос альтернативной энергетики с каждым годом становится все острее и вариантов предлагается все больше. Один из них – солнечная энергия.
С каждым десятилетием потребности человечества в энергетике растут в астрономических масштабах. Вместе с неумолимым истощением запасов ископаемых видов топлива, мы имеем растущую необходимость в альтернативных источниках энергии.
Писатель-фантаст Айзек Азимов в своем рассказе 1941 года “Логика” описал концепт роботизированной космической станции, передающей полученную от Солнца энергию планетам системы с помощью микроволн. Сегодня эта идея уже не занимает место в разряде научной фантастики, а уверенно продвигается к своей реализации.
Солнце не светит так ярко ни в одной точке нашей планеты, как на ее геостационарной орбите, на высоте 35 786 км над уровнем моря. Высоко над атмосферой, где нет ни облаков, ни затмений, солнечные батареи могут принимать лучи на 35-70% интенсивнее, чем в чистый день на земле. Это идеальное место для электростанции, которая будет собирать энергию 24 часа в сутки, 365 дней в году.
В конце 60-х, Питер Глейзер представил свою идею больших солнечных спутниковых систем с солнечным коллектором размером в квадратную милю для сбора и преобразования энергии солнца в СВЧ для передачи на Землю. С тех пор ученые бились над исследованиями, концептами, дизайнами, которые смогли бы воплотить замысел в жизнь – гигантский вызов, без сомнений, но имеющий и обрастающий решениями. Единственное что они не могли сделать – решить ценовой вопрос.
Высоко над атмосферой солнечные батареи могут принимать лучи на 35-70% интенсивнее, чем в чистый день на земле. Это идеальное место для электростанции, которая будет собирать энергию 24 часа в сутки, 365 дней в году.
Учитывая стоимость запуска в 40000 долларов за килограмм в некоторых случаях, конечная цена первой космической солнечной электростанции может достигать 20 миллиардов долларов. Пока еще ракетоносители не разработаны для многоразового использования, а для строительства станции может понадобиться несколько сотен запусков в год.
Однако, если брать во внимание успехи SpaceX, возвращающих азарт в космическое освоение, и рост заинтересованности в этом частных компаний – можно надеяться на улучшение ситуации в долгосрочном периоде. Компания одиозного миллиардера Илона Маска — SpaceX, чьи ракетоносители серии “Falcon” (“Сокол”) занимаются снабжением Международной Космической Станции, анонсировала и активно испытывает разработки по повторному использованию многоступенчатых ракет.
8 апреля 2016 года, в рамках миссии SpaceX CRS-8, первая ступень ракеты Falcon 9 FT впервые в истории ракетостроения успешно приземлилась на морскую платформу Autonomous Spaceport Drone Ship «Of course I still love you». После обследования и многократного повторного зажигания, при удачных итогах тестирования эта ступень, возможно, будет использована для повторного запуска через несколько месяцев.
Конечная цена первой космической солнечной электростанции может достигать 20 миллиардов долларов
США, Китай, Индия и Япония занимаются разработкой собственных проектов роботизированных массивов солнечных батарей, которые будут направлять на Землю гигантское количество чистой и возобновляемой энергии без проводов. Некоторые варианты предлагают отправку до 1 ГВт энергии – этого достаточно для питания крупного города.
Система предполагает наличие аппарата-излучателя, находящегося на геостационарной орбите. Планируется преобразовывать солнечную энергию в форму, удобную для передачи, и передавать на поверхность в «концентрированном» виде. В этом случае на поверхности необходимо наличие «приёмника», воспринимающего эту энергию.
Космический аппарат будет находиться на ГСО и ему не нужно поддерживать себя против силы тяжести. Он также не нуждается в защите от наземного ветра или погоды, но будет иметь дело с космическими опасностями, такими как микрометеориты и солнечные бури.
Есть два способа доставки энергии на Землю: в форме лазерных лучей или микроволн.
Вариант с лазерными лучами включает отправку в космос небольших спутников передающих лазеры, что сулит им низкую стоимость (от 500 млн. до 1 млрд. долларов). Самособирающиеся спутники смогут еще больше сократить расходы, а лазеры небольшого диаметра будет довольно легко собирать на Земле. Но с выдачей от 1 до 10 МВт понадобится много спутников для обеспечения достаточного количества энергии. Кроме того у спутников будут проблемы с передачей в облачную или дождливую погоду.
Вариант с микроволнами предполагает беспрепятственную передачу в любые погодные условия с большей выдачей энергии, измеряющейся в ГВт. Но главным их недостатком остается необходимость в сотнях запусков в космос, ресурсозатратности, необходимости постройки орбитальных станций для обслуживания спутников и солнечных батарей, которые по сложности и масштабам будут превосходить МКС.
Есть два способа доставки энергии на Землю: в форме лазерных лучей или микроволн.
С развитием науки и технологического прогресса, растет и вариативность конструкторских решений в проектировании станций. Некоторые из них похожи на космические версии земных солнечных станций, с рядами солнечных батарей, простирающихся на километры.
NASA ведет работу над SPS-ALPHA (Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array), спроектированным бывшим сотрудником космического агенства Джоном Мэнкинсом. Предполагается, что спутник будет состоять из большого массива тонкопленочных зеркал, которые будут прикреплены к его изогнутой поверхности. Зеркала будут передавать солнечный свет на массив фотоэлементов, расположенных в нижней части спутника. Внешний вид спутника напоминает цветок, что выглядит необычайно красиво среди бесконечного космического пространства. Прелесть дизайна заключается в том, что ни одна из частей станции не будет весить более 200 килограммов, что позволит значительно сократить расходы на транспортировку и сборку устройства.
Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) так же активно занимается разработкой собственных спутников. Агентство планирует запустить первый прототип уже к 2020 году, а к 2030 уже иметь полностью рабочую систему. Проект предполагает построить в Японии искусственный остров длиной 3 километра. На этой территории будет развернута огромная сеть из 5 миллиардов крошечных антенн для преобразования радиоволн сверхвысоких частот в электричество. На острове будет установлена подстанция для передачи электричества по подводному кабелю в Токио на поддержку индустриальной зоны и городских кварталов. Исследователи планируют создать систему в 1 ГВт, мощность которой будет эквивалентна средней атомной электростанции.
Среди других примеров есть проект “Солнечная Башня” (“Sun Tower”), спутник Дайсона-Харропа, разработки Европейского космического агентства в области солнечных парусов.
Сквозь историю человечества, открытие новых источников энергии меняло образ жизни с каждым разом. Создание спутниковых солнечных энергетических комплексов задача чрезвычайно тяжелая и дорогостоящая, но полученная в итоге выгода будет огромна. Солнечная энергия может решить проблемы с нехваткой топлива, угрозой экологии, высокой стоимостью для потребителей. Так же она продвинет вперед другие исследования и эксперименты в космическом пространстве, позволит нашей цивилизации двигаться дальше, за пределы Земли.
