Новая энергетика

Космос и энергетика будущего

Новая энергетика - Космическая энергетика

Рост численности населения на Земле и, соответственно, энергопотребления ведет не только к энергокризису, но и к экологической катастрофе. Панацеей может стать ограничение использования природного топлива и переход на возобновляемые источники энергии и атомную энергетику. Последняя, однако, уже не вызывает того энтузиазма, который был тридцать лет назад, до Чернобыльской катастрофы. Считается, что существенный вклад в решение энергетических и экологических проблем могут внести, заметно снизив тепловую нагрузку на Землю, космические электростанции.

Япония планирует к 2040 г. построить в космосе свою первую внеземную электростанцию. США намерены еще раньше создать группировку спутников, которые будут собирать солнечную энергию, преобразовывать ее в электрическую и передавать на Землю. Концепция энергоснабжения из космоса разработана российским Исследовательским центром им. М.В. Келдыша.

Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. По сути, солнечная энергетика – своего рода алхимия: берёте бесплатное солнечное излучение и превращаете его в нечто, имеющее стоимость.

Наиболее простой способ преобразования солнечной энергии в электрический ток – использование так называемого внешнего фотоэффекта, когда кванты света «вышибают» из поставленного перед ним материала электроны. По этому принципу работают, в частности, солнечные батареи, обеспечивающие питанием бортовую аппаратуру космических аппаратов. Если коэффициент полезного действия (КПД) первых, созданных советскими физиками в 1950-х годах, сернисто-гелиевых солнечных элементов еле дотягивал 1%, то к началу ХХI века он составлял уже порядка 20%. В основном этого удалось добиться за счет совершенствования технологий получения из кварцитов чистого кремния – основного материала для производства солнечных элементов.

Использование в последние годы российскими учеными нанотехнологий позволило значительно улучшить эффективность этих процессов и получить фотоэлементы с почти 50% КПД. На практике это означает, что с 1 кв. м солнечной батареи можно получать около 600 Вт электрического тока. Проблема в низкой интенсивности солнечного излучения на уровне земной поверхности из-за поглощающего влияния атмосферы, облачности, различных загрязнений и пр.

Отсюда недостаточная эффективность работы солнечных электростанций (СЭС) в земных условиях, и естественный вывод – строить их надо в космосе.

Проекты космических электростанций особенно активно разрабатывались в годы энергетического кризиса середины 1970-х годов. Но ни один из них так и не был реализован. Основных причин две. Первая – недостаточное совершенство на то время солнечных батарей. Лишь около 30% их массы приходилось на полупроводниковые элементы, а остальное - на конструкцию. Срок службы батарей исчислялся в лучшем случае несколькими годами. Оптимальным вариантом считалась работа в течение 20-30 лет. При том, что к концу этого периода деградация солнечных элементов достигала бы 40 %.

Вторая причина – все проекты были «привязаны» к геостационарной орбите, удаленной от поверхности Земли примерно на 36000км. На такой орбите электростанция лишь на несколько дней весеннего и осеннего равноденствия попадает в тень Земли и перестает освещаться Солнцем. Кроме того электростанция будет постоянно находиться над определенной точкой земной поверхности, что удобно для передачи энергии на Землю. Но доставка полезной нагрузки на такую орбиту требует мощных средств выведения. Расчеты показывали, что получение электрической энергии в этом случае будет коммерчески невыгодным.

Не были до конца решены и проблемы передачи энергии без проводов с помощью СВЧ-излучения.
Развитие техники позволило за последние годы существенно улучшить все показатели использования космических электростанций. Считается, что в течение нескольких ближайших лет будут созданы все необходимые технологии (которых пока нет) и первая электроэнергия из космоса может быть передана на Землю со спутников на околоземной орбите уже через 7-10 лет.

Самое интересное, что инициатором одного из таких проектов выступил Пентагон. Предлагается создать группировку спутников с легкими зеркалами, площадью в несколько квадратных километров. Они будут фокусировать солнечный свет на панели солнечных батарей. Вырабатываемый ими электрический ток преобразуется в микроволновое излучение. На Земле оно будет приниматься специальным устройством - ректенной (от английского rectifying antenna - выпрямляющая антенна), представляющей собой антенную решетку, в которой микроволновое излучение (СВЧ-излучение) преобразуется в энергию постоянного тока.

Страна восходящего Солнца первоначально планировала обзавестись орбитальной электростанцией к 2020 г. В отличие от американцев предполагалось создать ее на геостационарной орбите. Предварительно в космос должен быть выведен спутник, на котором японские ученые отработают передачу на Землю электроэнергии с помощью микроволнового луча. После восьми лет предварительных проработок был сделан вывод, что раньше 2040 г. космическую электростанцию создать не удастся.

Всего в проекте участвуют 16 крупнейших японских компаний. Ближайшие четыре года исследовательская группа потратит на разработку технологий, в первую очередь по передаче энергии из космоса на Землю. Планируется, что общая площадь солнечных батарей электростанции составит четыре квадратных километров.

К моменту начала практических работ по сооружению станции Япония намерена отладить собственные каналы доставки грузов на орбиту. Проект, в целом, оценен в 21 млрд долл. И, опять-таки, одной из существенных слагаемых этой суммы станет стоимость доставки элементов станции на геостационарную орбиту. Сегодня за 1 кг груза нужно платить 35-50 тыс. долл. Это одна из причин, по которой российские специалисты считают более предпочтительным (в экономическом плане) создание электростанций на околоземных орбитах.

Концепция энергоснабжения Земли из космоса с использованием низких околоземных орбит была разработана Исследовательским центром им. М.В.Келдыша. По расчетам специалистов Центра уже к 2020-2030 гг. можно создать 10-30 космических СЭС, каждая из которых будет состоять из десяти энергомодулей мощностью 15 МВт. Таким образом, суммарная мощность станции будет равна 1,5-4,5 ГВт, а мощность, доставляемая потребителю на Земле, – 0,75-2,25 ГВт. По оптимистическим планам к 2050-2100 годам количество модулей можно будет довести до 800 единиц. При этом количество модулей в каждой станции возрастет до 40.

Было бы неправильным ничего не сказать об очевидных отрицательных факторах создания и эксплуатации космических электростанций. Чтобы их вклад в земную энергетику был действительно весомым, таких станций должно быть построено не одна тысяча. Создание каждой из них потребует запуска десятков тяжелых ракет-носителей, что будет сопровождаться выбросом в земную атмосферу миллионов тонн продуктов сгорания ракетного топлива. С другой стороны – при передаче энергии на Землю атмосферу пронзят интенсивные потоки СВЧ-излучения, потери которого в воздушной оболочке нашей планеты могут достигать 50% его мощности, что, в свою очередь, может привести к разогреву атмосферы. Поэтому внесут ли космические электростанции существенный вклад в решение земных энергетических и экологических проблем или напротив станут их только усугубл@ть, еще предстоит оценить.