Коли космічна енергія замінить нафту і газ
Днями у Києві пройшла конференція "Нове покоління суборбітальних дослідників", на якій обговорювалися, зокрема, проекти будівництва космічних сонячних станцій. І якщо раніше подібні ідеї ніхто всерйоз не сприймав, то зараз вони дійсно близькі до реалізації. Так, Конгрес США готує план поступового переходу Америки від викопного палива на космічну енергетику. За впровадження проекту буде відповідати спеціально створений департамент космосу, активну роль у його роботі будуть грати НАСА, міністерство енергетики та інші організації. До жовтня нинішнього року міністерство юстиції має подати Конгресу всі необхідні зміни та доповнення до чинного федеральним законодавством, щоб почати будівництво космічних сонячних електростанцій. В рамках програми на початковому етапі планується розробити системи ядерних космічних двигунів, щоб застосовувати кораблі багаторазового використання для космічної логістики та будівництва геліоустановок на орбіті.
В активній розробці також технології, що дозволяють перетворити сонячне світло в електрику і переміщувати його на Землю. Зокрема, фахівці Каліфорнійського технологічного інституту пропонують висвітлювати планету з допомогою орбітальних "килимів-літаків". Це системи з 2 500 панелей товщиною 25 мм і завдовжки 2/3 футбольного поля. Елементи такої станції будуть доставляти на орбіту зразок ракети Space Launch System — американської надважкої ракети-носія, що розробляється NASA. Космічна електростанція створюється в рамках SSPI (Space Solar Power Initiative) — партнерського проекту Каліфорнійського технологічного університету і компанії Northrup Grumman. Остання інвестувала $17,5 млн, щоб протягом наступних трьох років розробити основні компоненти системи. Ініціативу також підтримали дослідники в лабораторії Jet Propulsion в NASA.
За словами професора Каліфорнійського технологічного університету Гаррі Этуотера, очолив Space Solar Power Initiative, "килими-літаки" перетворюють сонячну енергію в радіохвилі і відправляють їх на землю. Енергія буде передаватися за принципом фазованої решітки, яка використовується в радарних системах. Це дозволить створювати потік, що рухається в будь-якому напрямку.
Сонячні панелі складаються з плиток розміром 10х10 см і вагою близько 0,8 м, що забезпечить порівняно невисоку вартість запуску конструкції. Кожна плитка стане передавати перетворену енергію автономно і якщо одна з них вийде з ладу, інші будуть продовжувати працювати. Втрата кількох елементів через сонячних спалахів або дрібних метеоритів не завдасть шкоди електростанції. За розрахунками вчених, при масовому виробництві вартість електрики від такого джерела буде менше, ніж при використанні вугілля або природного газу.
Відсоток наземних сонячних установок в загальному балансі енергозабезпечення багатьох країн світу стає все вище. Але можливості таких електростанцій обмежені: ночами і при сильній хмарності сонячні батареї втрачають здатність виробляти електрику. Тому ідеальний варіант — розмістити геліоелектростанції на орбіті, де день змінюється вночі, а хмари не створюють перешкод між Сонцем і панелями. Головною перевагою будівництва електростанції в космосі є її потенційна ефективність. Сонячні батареї, розташовані в космосі, можуть генерувати енергії в десять разів більше батарей, розміщених на поверхні Землі.
Ідея орбітальних електростанцій розроблялася давно, вчені з NASA і Пентагону займаються подібними дослідженнями ще з 60-х років. Раніше втілення подібних проектів гальмувала висока вартість транспортування, але з розвитком технологій космічні електростанції можуть в найближчому майбутньому стати реальністю.
Вже є кілька цікавих проектів з будівництва сонячних установок на орбіті. Крім Space Solar Power Initiative, американці розробляють орбітальну сонячну панель, яка буде поглинати сонячне випромінювання і передавати електронні пучки з допомогою радіохвиль на земній ресивер. Авторами розробки стали фахівці науково-дослідної лабораторії ВМС США. Вони побудували компактний сонячний модуль, на одній стороні якого обладнана фотовольтаическая панель. Всередині панелі встановлена електроніка, перетворююча прямий струм в радіочастоту для передачі сигналу, інша сторона підтримує антену для передачі електронних пучків на Землю.
За словами провідного автора розробки Поля Джаффе, чим нижче частота електронного пучка, що несе енергію, тим надійнішою буде її передача в погану погоду. А при частоті 2.45 ГГц, можна отримувати енергію навіть у сезон дощів. Сонячний ресивер забезпечить енергією всі військові операції, про дизельних генераторах можна буде назавжди забути.
США не єдина країна, яка планує отримувати електроенергію з космосу. Жорстка боротьба за традиційні енергетичні ресурси змусила багато держав шукати альтернативні джерела енергії. Японське агентство з освоєння космосу JAXA розробило для установки на орбіті Землі фотоелектричну платформу. Зібрана за допомогою установки сонячна енергія стане надходити на приймальні станції Землі і перетворюючись в електрику. Збір сонячної енергії буде вестися на висоті 36 тис. км.
Така система, що складається з серії наземних і орбітальних станцій, повинна почати працювати вже в 2030 р., її загальна потужність складе 1 ГВт, що можна порівняти зі стандартною атомною електростанцією. Для цього в Японії планується побудувати штучний острів довжиною 3 км, на якому розгорнуто мережу з 5 млрд антен для перетворення в електрику радіохвиль надвисоких частот. Очолив розробку науковий співробітник JAXA Сусуми Сасакі впевнений, що розміщення сонячних акумуляторів в космосі призведе до революції в енергетиці, дозволивши згодом повністю відмовитися від традиційних джерел енергії.
Аналогічні плани є і у Китаю, який побудує на орбіті Землі сонячну електростанцію розміром більше, ніж Міжнародна космічна станція. Загальна площа сонячних панелей установки складе 5-6 тис. кв. км. Згідно з розрахунками експертів така станція стане збирати сонячні промені 99% часу, причому космічні гелиопанели зможуть генерувати в 10 разів більше електрики на одиницю площі, ніж наземні аналоги. Передбачається, що для передачі на наземний колектор вироблена електроенергія буде перетворюватися в мікрохвилі або лазерний промінь. Початок будівництва заплановано на 2030 р., вартість проекту складе близько $1 трлн.
Світові інженери оцінюють можливості будівництва сонячних космічних електростанцій не лише на орбіті, але і в областях, більш близьких до Сонця, біля Меркурія. У цьому випадку сонячних батарей буде потрібно майже в 100 разів менше. При цьому приймальні пристрої можна винести з поверхні Землі в стратосферу, що дозволить здійснити ефективну передачу енергії в міліметровому і субміліметровому діапазонах.
Розробляються також проекти місячних сонячних електростанцій. Наприклад, японська компанія Shimizu запропонувала створити пояс з сонячних батарей, протягнутий по всьому екватора Місяця на 11 тис. км і шириною 400 км. Його розмістять на зворотній стороні супутника Землі, щоб система постійно перебувала під сонячними променями. Зв'язати панелі можна буде за допомогою звичайних силових кабелів або оптичних систем. Електрика генерується планується передавати за допомогою великих антен, а отримувати за допомогою спеціальних ресиверів на Землі.
В теорії проект виглядає чудово, залишається придумати, як доставити сотні тисяч панелей на супутник Землі і там їх встановити, а так само як доставляти енергію з Місяця на нашу планету, не втративши по дорозі значну її частину: адже доведеться подолати 364 тис. км. Так що ідеї створення місячних електростанцій дуже далекі від реальності і якщо вони реалізуються, то дуже нескоро.
