Орбитальные солнечные станции: как энергию из космоса предлагают передавать на Землю

Орбитальные солнечные станции должны собирать солнечную энергию за пределами атмосферы, преобразовывать её в направленное излучение и передавать на приёмные комплексы на Земле. Идея выглядит фантастической, но отдельные элементы такой системы уже проверялись в лабораториях и на орбите.

Главное преимущество космоса заключается в доступе к интенсивному солнечному излучению без облаков, дождя и смены погоды. Однако для создания полноценной электростанции понадобятся конструкции размером в сотни метров или даже километры, многочисленные запуски, роботизированная сборка и безопасная система передачи энергии.

Пока ни одна страна не получает электричество из космоса в промышленном масштабе. Орбитальная солнечная энергетика остаётся направлением исследований, а не готовой заменой наземным электростанциям.

Панели в космосе получают больше солнечного света

Земная атмосфера поглощает и рассеивает часть солнечного излучения. Производительность наземной панели также снижается из-за облаков, пыли, дождя и ночного времени.

На орбите облаков нет, а правильно расположенная станция может находиться на солнечной стороне значительно дольше наземной установки. Благодаря этому она потенциально способна вырабатывать энергию большую часть суток.

Но выражение «работает постоянно» не совсем точно. Спутник может периодически попадать в тень Земли. Кроме того, оборудование постепенно ухудшается под воздействием радиации, перепадов температуры и микрометеороидов.

Космическая станция получает благоприятный доступ к солнечному свету, но работает в среде, которая создаёт совершенно другие сложности.

Электричество невозможно спустить по кабелю

Соединить орбитальную станцию с наземной сетью обычным проводом нельзя. Кабель длиной в десятки тысяч километров имел бы огромную массу и испытывал бы чрезвычайно сложные нагрузки.

Поэтому энергию предлагают передавать без проводов. Сначала солнечные элементы вырабатывают постоянный электрический ток. Затем передатчик преобразует его в электромагнитное излучение и направляет к Земле.

На поверхности устанавливается большой приёмный комплекс. Он улавливает излучение, снова превращает его в электрический ток и передаёт энергию в сеть.

Таким образом, между солнечным светом и розеткой появляется несколько последовательных преобразований. На каждом этапе часть энергии неизбежно теряется.

Микроволны считаются основным способом передачи

Большинство крупных проектов предусматривает использование микроволнового излучения. Для его формирования необходима большая антенная решётка, состоящая из множества согласованно работающих элементов.

Каждый элемент излучает слабый сигнал. Электронная система точно регулирует фазы сигналов, благодаря чему отдельные волны складываются и формируют направленный луч.

На Земле его принимает ректенна — специальная антенная решётка с выпрямителями. Она преобразует энергию радиоволн в постоянный электрический ток.

Микроволны способны проходить через атмосферу и облачность с относительно небольшими потерями при правильно выбранной частоте. Но для передачи значительной мощности потребуются очень большие космические и наземные антенны.

Лазерный луч требует меньшего приёмника

Другой вариант предусматривает передачу энергии лазером. Благодаря небольшой длине волны лазер можно сфокусировать в более узкий луч, поэтому наземный приёмник может быть компактнее.

Однако облака, туман, пыль и атмосферная турбулентность мешают распространению света. Если небо над приёмной станцией закрыто плотной облачностью, передача может ослабнуть или полностью прекратиться.

Лазер также предъявляет строгие требования к точности наведения и безопасности для авиации, спутников и зрения человека.

Поэтому микроволновый и лазерный способы подходят для разных задач. Микроволны чаще рассматривают для крупных электростанций, а лазеры — для отдельных космических аппаратов или удалённых объектов.

Приёмная станция займёт большую территорию

Передаваемый луч нельзя сделать бесконечно узким. По мере распространения он расширяется, поэтому наземная ректенна должна иметь значительную площадь.

В крупных концепциях диаметр приёмного комплекса может измеряться километрами. Размещать такую установку удобнее вдали от густонаселённых районов и охраняемых природных территорий.

Ректенна необязательно представляет собой сплошную бетонную площадку. Антенные элементы можно установить на решётчатых конструкциях, пропускающих часть солнечного света и осадков.

Теоретически территорию под ними можно использовать для сельского хозяйства или других ограниченных задач. Но совместное использование земли потребует отдельной оценки электромагнитного воздействия и влияния сооружений на местную экосистему.

Луч должен постоянно попадать в приёмник

Передача большой мощности требует чрезвычайно точного наведения. Орбитальная система должна знать положение наземной станции и непрерывно корректировать направление луча.

Для этого приёмник может отправлять в космос контрольный сигнал. Передающая решётка ориентируется на него и формирует энергетический луч в нужном направлении.

Система безопасности должна автоматически уменьшать мощность или прекращать передачу при потере контрольного сигнала, неправильной ориентации станции или появлении другой неисправности.

Надёжность такого механизма является одним из главных условий практического применения. Энергетический луч не должен случайно смещаться на населённую территорию, самолёт или соседний спутник.

Передача не похожа на гигантскую микроволновку

Упоминание микроволн нередко вызывает опасения, что орбитальная станция будет нагревать всё на своём пути. Однако предполагаемые системы не должны создавать в центре приёмной зоны плотность мощности, сравнимую с закрытой камерой бытовой микроволновой печи.

Луч распределяется по большой площади, а ректенна собирает энергию множеством элементов. Тем не менее безопасность необходимо доказывать измерениями и независимой проверкой.

Следует учитывать воздействие на людей, птиц, насекомых, авиацию, радиосвязь и электронное оборудование. Вокруг приёмной станции могут потребоваться контролируемые зоны.

До начала коммерческой эксплуатации необходимо разработать международные нормы для частот, допустимых уровней излучения и действий при отказе оборудования.

Геостационарная орбита позволяет постоянно видеть приёмник

Для крупных станций часто рассматривают геостационарную орбиту высотой около 35 786 километров над экватором.

Спутник на такой орбите совершает один оборот за звёздные сутки и с Земли кажется неподвижным. Благодаря этому станция может постоянно находиться над одной областью и направлять энергию на один наземный приёмник.

Однако большое расстояние усложняет запуск, обслуживание и передачу энергии. Луч сильнее расширяется, поэтому требуются крупные антенны.

На геостационарной орбите также происходят сезонные периоды, когда спутник ненадолго попадает в тень Земли. Для непрерывного снабжения сети придётся использовать накопители или другие источники энергии.

Низкая орбита ближе, но постоянно движется

Размещение станции на низкой околоземной орбите уменьшает расстояние до поверхности и облегчает некоторые этапы запуска.

Но такой аппарат быстро перемещается по небу. Он видит конкретный наземный приёмник лишь ограниченное время, после чего скрывается за горизонтом.

Для стабильного снабжения потребовалась бы группировка из множества станций и сеть наземных приёмников. Передачу энергии пришлось бы переключать между объектами.

Кроме того, низкие орбиты уже используются спутниками связи, наблюдения и пилотируемыми аппаратами. Огромные энергетические конструкции увеличили бы проблему загруженности околоземного пространства.

Станцию придётся собирать из модулей

Вывести километровую конструкцию одной ракетой невозможно. Её необходимо разделить на компактные и лёгкие элементы, а затем развернуть или соединить на орбите.

Модульная схема позволяет постепенно наращивать мощность и заменять отдельные повреждённые участки. Но для этого понадобятся автономные роботы, способные перемещать панели, соединять электрические цепи и проверять конструкцию.

Работа астронавтов оказалась бы слишком дорогой и опасной для сборки объектов такого масштаба. Большая часть операций должна выполняться автоматически или под дистанционным управлением.

Каждый модуль необходимо сделать одновременно лёгким, прочным и устойчивым к условиям космоса. Эти требования часто противоречат друг другу.

Масса остаётся решающей проблемой

Даже очень тонкая панель становится тяжёлой, если её площадь измеряется квадратными километрами. К массе солнечных элементов добавляются антенны, силовая электроника, системы управления, двигатели и несущая конструкция.

Каждый килограмм оборудования необходимо изготовить, проверить и вывести на нужную орбиту. Для крупной электростанции потребуются многочисленные ракетные запуски.

Многоразовые ракеты снижают стоимость доставки, но не устраняют её. Запуски также требуют наземной инфраструктуры, топлива и подготовки.

Экономическая перспективность технологии во многом зависит от дальнейшего удешевления космических перевозок и уменьшения массы энергетических модулей.

Лишнее тепло необходимо отводить

Не вся солнечная энергия превращается в электричество. Часть поглощается материалами и нагревает оборудование.

На Земле тепло отводят воздух и вода. В космическом вакууме нет воздуха, поэтому охлаждение возможно главным образом через тепловое излучение.

Для этого станции необходимы радиаторы. Они увеличивают площадь, массу и сложность конструкции.

Перегрев способен снизить эффективность солнечных элементов и повредить электронное оборудование. Инженерам приходится рассчитывать ориентацию каждой поверхности относительно Солнца и холодного космоса.

Панели постепенно повреждаются

Космическая радиация ухудшает характеристики солнечных элементов. Заряженные частицы повреждают структуру материалов, а ультрафиолетовое излучение разрушает отдельные покрытия.

Опасность представляют микрометеороиды и фрагменты космического мусора. Даже небольшой объект на орбитальной скорости способен пробить панель или вывести из строя электронный модуль.

Гигантская электростанция будет иметь большую площадь и, следовательно, чаще сталкиваться с мелкими частицами. Конструкцию необходимо проектировать так, чтобы повреждение отдельного участка не приводило к отказу всей системы.

Потребуются способы диагностики, роботизированного ремонта и безопасного удаления станции после окончания срока её службы.

Первый орбитальный опыт передал очень небольшую мощность

Эксперимент Калифорнийского технологического института стал важным доказательством принципа. Небольшое устройство продемонстрировало беспроводное направление энергии в космосе, а сигнал удалось обнаружить на Земле.

Но между обнаруживаемым экспериментальным сигналом и энергоснабжением города существует огромная разница. Коммерческая станция должна передавать мощность, измеряемую мегаваттами или гигаваттами, непрерывно и с высокой эффективностью.

Эксперимент показал, что отдельный физический принцип работает. Он не доказал, что уже существует экономически выгодная орбитальная электростанция.

Следующими этапами должны стать более крупные демонстраторы, проверка точности наведения, долговечности компонентов и полного энергетического баланса.

Космическая энергия пока обходится слишком дорого

Орбитальная станция получает больше солнечного света, но её стоимость определяется не только количеством выработанной энергии.

Необходимо учитывать изготовление космических модулей, ракеты, сборку, управление, замену оборудования, наземную ректенну и потери при передаче.

Наземные солнечные и ветровые электростанции уже производятся массово и не нуждаются в запуске на орбиту. Их непостоянство можно частично компенсировать накопителями, распределёнными сетями и сочетанием разных источников.

По оценке NASA, при рассмотренных технологических сценариях орбитальная солнечная энергетика к середине XXI века всё ещё может стоить заметно дороже наземных альтернатив. Результат способен измениться при резком снижении стоимости запуска и существенном увеличении срока службы систем, но это пока предположение.

Экологичность нельзя оценивать только по работе панелей

Во время эксплуатации солнечные элементы не сжигают уголь или газ. Но полный экологический след включает производство материалов, ракетные запуски, строительство ректенн и замену изношенных компонентов.

Следует учитывать выбросы ракетных двигателей в разных слоях атмосферы и последствия большого количества запусков. Не менее важна проблема космического мусора.

После окончания эксплуатации огромную станцию нельзя просто оставить на орбите. Необходим план безопасной разборки, переработки или перемещения на орбиту захоронения.

Экологическая польза появится только в том случае, если за весь срок службы станция передаст достаточно чистой энергии, чтобы компенсировать ресурсы и выбросы, затраченные на её создание.

Технология может снабжать не только Землю

Беспроводная передача энергии интересна и для освоения космоса. Орбитальный передатчик способен направлять энергию аппаратам, находящимся в тени, или объектам, на которых неудобно устанавливать большие панели.

В будущем подобные системы могут снабжать лунные базы во время продолжительной ночи, передвижные исследовательские аппараты или станции в труднодоступных районах.

Для таких задач требуется значительно меньшая мощность, чем для питания земных городов. Поэтому космическая инфраструктура может стать первым практическим применением технологии.

Опыт, полученный на небольших системах, впоследствии пригодится при проектировании крупных энергетических станций.

Орбитальные станции пока остаются проектами будущего

Основные элементы системы известны: солнечные батареи, фазированные антенны, беспроводная передача и наземные приёмники. Отдельные компоненты уже прошли экспериментальную проверку.

Сложность заключается в объединении этих элементов в огромную, безопасную и экономически оправданную электростанцию. Она должна самостоятельно развернуться, точно направлять луч, работать десятилетиями и выдерживать суровые условия космоса.

В ближайшее время исследования продолжатся, а на орбите могут появиться новые демонстрационные аппараты. Но обещания скорого снабжения целых стран энергией из космоса пока опережают реальные возможности.

Орбитальные солнечные станции способны однажды дополнить земную энергетику, если запуски станут значительно дешевле, оборудование — легче, а передача энергии — эффективнее. До этого момента технология останется одной из самых масштабных и сложных инженерных идей современности.