Вскоре мы сможем получать энергию из солнечной энергии, собранной в космосе

Переиздано Платоном

Читают: 0

Маттео Чериотти, старший преподаватель космической инженерии Университета Глазго, пишет в Беседа.

Идея космической солнечной энергетики (SBSP) — использование спутников для сбора солнечной энергии и «передачи» ее в точки сбора на Земле — существует по крайней мере с конца 1960-х годов. Несмотря на свой 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 жизненно важной частью мирового 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. Солнечная энергия также собирается косвенно: примером этого является энергия ветра, потому что бризы генерируются неравномерным нагревом атмосферы солнцем.

Но у этих зеленых форм производства электроэнергии есть 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.

ПВ на орбите не ограничится наступлением ночи. Спутник на геостационарной орбите (GEO) — круговой орбите на высоте около 36,000 99 км над Землей — подвергается воздействию Солнца более 24% времени в течение всего года. Это позволяет ему производить зеленую энергию 7/XNUMX.

GEO идеально подходит для случаев, когда необходимо отправить энергию с космического корабля на коллектор энергии или наземную станцию, потому что спутники здесь неподвижны по отношению к Земле. Считается, что к 100 году на ГЕО будет доступно в 2050 раз больше солнечной энергии, чем предполагаемые глобальные потребности человечества в энергии.

Для передачи энергии, собранной в космосе, на землю требуется беспроводная передача энергии. Использование для этого микроволн 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 км или более в высоких широтах. Однако это все же меньше площади земли, необходимой для производства такого же количества энергии с использованием солнечной или ветровой энергии.

Развивающиеся концепции
С момента 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 будет собрать около 10 ГВт мощности.

Недавняя концепция CASSIOPEIA состоит из двух управляемых рефлекторов шириной 2 км. Они отражают солнечный свет в массив солнечных панелей. Эти передатчики мощности диаметром около 1,700 метров можно направить на наземную станцию. По оценкам, спутник может иметь массу 2,000 тонн.

Другая архитектура, SPS-ALPHA, отличается от CASSIOPeiA тем, что солнечный коллектор представляет собой большую конструкцию, образованную огромным количеством небольших модульных отражателей, называемых гелиостатами, каждый из которых может перемещаться независимо. Их выпускают серийно, чтобы снизить себестоимость.

В 2023 году ученые из 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 энергии на Землю.

Земля

Национальный и международный интерес
SBSP может сыграть решающую роль в достижении нулевой цели Великобритании к 2050 году, но текущая стратегия правительства этого не предусматривает. Независимое исследование показало, что к 10 году SBSP сможет производить до 2050 ГВт электроэнергии, что составляет четверть текущего спроса в Великобритании. SBSP обеспечивает надежное и стабильное энергоснабжение.

Это также создаст многомиллиардную промышленность с 143,000 2025 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 XNUMX году.

Другие страны недавно объявили о намерении передать энергию на Землю к 2025 году, перейдя к более крупным системам в течение следующих двух десятилетий.

Массивный спутник
Если технология готова, то почему не используется SBSP? Главный предел — огромное количество массы, которую нужно 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 частей этих транспортных средств после их полета. Это может снизить стоимость предприятия на 90%.

Даже с помощью корабля SpaceX Starship, который может выводить 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 в космосе на 3D-принтере.

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

Кроме того, для управления такой большой структурой в космосе потребуется значительное количество топлива, что требует от инженеров работы с иногда очень токсичными химическими веществами. Фотоэлектрические солнечные панели будут подвержены деградации, что со временем снизит эффективность с 1% до 10% 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 попадется 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 со всем этим SBSP может внести фундаментальный вклад в достижение нуля к 2050 году с помощью устойчивой чистой энергии из космоса.

Эта статья изначально появилась в Беседа.