Сайт о нанотехнологиях #1 в России
За энергией – в космос
Основным источником энергии для человечества до сих пор остается природное топливо – углеводороды (нефтепродукты, газ, уголь). Его использование оказывает исключительно негативное воздействие на окружающую среду, не говоря уже об ограниченности земных ресурсов. Частично решить проблему позволяет атомная энергетика, а также возобновляемые источники энергии (гидро-, приливные, геотермические, ветровые электростанции).
Но и тогда останется открытым вопрос транспорта, работающего, как правило, на жидких углеводородных соединениях. Словом, пока не найдено общей концепции и технологического решения этих взаимосвязанных энергетических и экологических проблем. Между тем, наиболее рациональным выходом из сложившейся ситуации может стать переход к энергоснабжению из космоса.
Как известно, Солнце всегда было первичным источником энергии для нашей планеты. Благодаря этой звезде, на Земле накоплены и запасы углеводородов, которые мы сегодня активно сжигаем. Для того, чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои нужды в энергоресурсах, требуется ежегодно 10 млрд. т условного топлива.
Если энергию, поставляемую Солнцем на Землю за год, перевести в то же условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов т. Взяв для своего внутреннего потребления хотя бы один процент, т.е. 1 триллион т этого самого условного топлива, человек решил бы многие свои проблемы на века вперед.
Наиболее простой способ преобразования энергии солнечного излучения в электрический ток – использование так называемого внешнего фотоэффекта, когда кванты света «вышибают» из поставленного перед ним материала электроны.
Впервые получить электрический ток таким образом удалось в 1930 годы советским физикам из ленинградского Физико-технического института. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-гелиевых элементов еле дотягивал до 1%. Но уже с 1958 г. кремневые солнечные батареи стали основным источником электроэнергии на космических аппаратах.
К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке и почти два десятилетия оставался на этом рубеже. И лишь к середине 90-х КПД удалось поднять до 15%, а к началу нового века – до 20%.
В основном этого удалось добиться за счет совершенствования технологий получения из кварцитов чистого кремния – основного материала для производства солнечных элементов. Кстати, самые крупные залежи особо чистых кварцитов находятся в России, и запасы их огромны. А недавно Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне продемонстрировал фотоэлемент с почти 50% КПД. Ученые назвали свое творение «звездной батареей».
Она стала примером того, как при помощи нанотехнологии можно улучшить эффективность давно известных процессов.
В кремниевую пленку толщиной всего 0,5 мм научились внедрять мельчайшие частицы золота. При этом свойства материала изменились настолько сильно, что если в обычных фотоэлементах для получения одного электрона требуется 5–6 фотонов света, то здесь можно обойтись всего двумя, а в перспективе и одним. На практике это означает, что с 1 кв. м солнечной батареи можно получить около 600 вт, а в дальнейшем и 1 кВт электроэнергии.
В отличие от обычного кремния полученный материал оказался чувствительным к широкому диапазону солнечного излучения – от ультрафиолета до инфракрасного диапазона.
Из того же вещества дубнинские ученые сделали и суперконденсатор. Цилиндрик диаметром 3 см может хранить в 900 раз больше энергии, чем автомобильный аккумулятор. И это тоже очень важно, поскольку солнечные электростанции работают только днем, а энергия нужна круглосуточно. Поэтому на ночь ее нужно запасать в достаточно емких «энергохранилищах».
Первая промышленная солнечная электростанция (СЭС) была построена в 1985 г. в СССР в Крыму, недалеко от г. Щелкино. Она имела пиковую мощность в 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора.
Однако в середине 1990-х годов станция был закрыта, поскольку стоимость вырабатываемой ею электроэнергии оказалась довольно высокой. Одна из причин – недостаточная эффективность работы СЭС в земных условиях. Отсюда решение – строить такие электростанции в космосе.
Эта идея серьезно обсуждалась на Президиуме АН СССР уже вскоре после полета Юрия Гагарина и была признана заслуживающей внимания. В последующие годы проекты космических солнечных электростанций (КСЭС) стали рождаться как грибы после дождя, особенно в годы энергетического кризиса середины 1970-х годов. Но все они были «привязаны» к геостационарной орбите, заполненной почти до разумного предела информационными спутниками многих стран. Наличие там еще и электростанций могло стать серьезной помехой для их работы.
Надо сказать, что для России в принципе более предпочтительна для размещения КСЭС вытянутая 12-часовая солнечно-синхронная или приближающаяся к ней по параметрам орбита. В этом случае электростанция станет «восходить» над горизонтом дважды в сутки. Апогей ее орбиты будет находиться над Северным полюсом на высоте 40000 км, а перигей – в районе Южного полюса на расстоянии 500 км от земной поверхности. Энергия от одной такой КСЭС будет подаваться в течение 8 часов с апогейного участка, причем в наиболее нуждающиеся в ней северные районы страны. В остальные 4 часа происходит накопление энергии аккумуляторными станциями.
Для доставки на рабочие орбиты элементов КСЭС и их сборки, а в дальнейшем и обслуживания станции потребуется разработка монтажных, воздушно-космических и межорбитальных транспортных космических комплексов, что в целом представляет не менее сложную задачу, чем создание самих КСЭС. Но в любом случае солнечные электростанции в космосе представляются более дешевым и перспективным вариантом решения энергетических проблем на Земле, чем доставка с Луны пресловутого Гелия-3 для термоядерных электростанций.
Юрий Зайцев, эксперт Института космических исследований
Наши солнечные батареи самые солнечные в мире! Вот и Жорес Алферов собирается собирать энергетический урожай с Солнца с помощью солнечных батарей.
Источник
Энергия космоса: ближайшее будущее или несбыточная мечта
Дата публикации: 29 сентября 2019
Космическая энергетика, еще недавно казавшаяся выдумкой прогрессивных ученых, сегодня продолжает оставаться в тени более эффективных конкурентов – солнечной и ветровой энергии. Денег на данное направление выделяется сравнительно мало, что тормозит процесс исследований и опытов. Однако работы продолжают вестись, и полученные результаты позволяют с оптимизмом смотреть в будущее. Тем более что интерес научного сообщества к космическим глубинам неизменно растет, а человечество все дальше забирается в звездную даль, смело отрываясь от Земли с помощью ультрасовременных летательных аппаратов.
Факты о космической энергии: границы современных достижений
Секретные и коллективные достижения ученых разных стран мира уверенно, но неторопливо продвигаются вглубь изучения энергии космоса. Факты, собранные из научных источников, подтверждают некоторые интересные открытия. Однако радоваться пока рано: большинство разработок носят больше расчетно-теоретический, чем практический характер.
- В НАСА работы по изучению видов энергии в космосе ведутся с 1970 года, когда Аполлон-11 триумфально высадился на Луне. Уже в то время руководство ассоциации амбициозно заявило о своих планах на строительство солнечной электростанции на спутнике нашей планеты. Планировалось, что полученная солнечная энергия обеспечит Землю огромным количеством электричества, когда ископаемые запасы будут израсходованы. Однако, несмотря на тщательные расчеты и многократно испытанные проекты, идея так и не была реализована. Хотя НАСА не исключает, что время постройки «лунной» солнечной станции еще придет.
- В Стэнфорде ученые смогли справиться с проблемой перегрева солнечных батарей вследствие интенсивной эксплуатации. Как оказалось, эта проблема актуальна даже для холодного космоса с его отрицательным температурами. Тонкая пленка из диоксида кремния снижает температуру батареи до 23 градусов и в разы увеличивает ее эффективность.
- В планах научной программы университета в Арканзасе – разработка фотоэлектрических схем оборудования для использования в космическом пространстве. Согласно расчетам, их эффективность увеличится почти на 50%, стойкость к солнечному излучению повысится, а затраты на создание батарей будут снижены.
- Интернет-проект научного сообщества Департамента энергетики США полностью посвящен размещению солнечных батарей в космосе. Причем их работоспособность не будет зависеть от смены времени суток, облачности и погодных условий на Земле. В настоящее время проект уверенно развивается, что позволяет говорить об успехах научных изысканий, которые пока не обнародуются.
- Создание и функционирование космической электростанции – проект, доведенный до конца силами исследовательской лаборатории ВМС США. Согласно планам ученых, преобразование солнечной энергии в электрическую будет происходить уже на орбите. Затем энергия будет конвертирована в радиосигнал, который будет пойман приемником на поверхности Земли. Здесь радиоимпульс будет обратно конвертироваться в электроэнергию и направляться в сеть. Такое решение снижает стоимость полученных ресурсов, оптимизирует пути их доставки на Землю и способствует повышению качественных характеристик энергии.
- Альтернативные разработки ведутся в Китае, уверенно нацеленном на завоевание космоса и применение его полезных ресурсов для поддержания работы активно развивающейся промышленности. Так, ученые страны уже заявили о начале строительства солнечной станции на высокой орбите. Ее тестирование планируется завершить уже через 11 лет, а запуск оборудования в работу – к середине столетия. По уверениям специалистов, они сумели рассчитать и протестировать эффективную технологию передачи солнечной энергии из космоса на Землю, но по понятным причинам не намерены доводить ее до сведения мировой научной общественности.
- Япония также претендует на свою часть пирога неосвоенной космической энергии. В концерне Mitsubishi Heavy Industries уже проведено тестирование системы трансляции оборудования, которая смогла передать 10 кВт энергии на удаленный радиоприемник в островной горной системе. Сигнал был зафиксирован, что позволяет говорить о достигнутом успехе и его возможной реализации в будущем.
Говорить о достижениях в сфере получения солнечной энергии в космосе сложно из-за высокой степени секретности научных изысканий. Однако успехи есть, что позволяет с оптимизмом смотреть в будущее космической энергетики.
Проблемы и перспективы получения энергии из космоса: решения, которые только предстоит найти
Всеобщее внимание в последние годы привлекает разработка НАСА под названием Space-Based Solar Power. Это система из нескольких спутников, расположенных на синхронных орбитах относительно Земли. С их помощью планируется получать солнечную энергию и передавать ее на нашу планету в виде микроволн. Преимущества, которыми отличается установка солнечной энергетической станции в космосе, неоспоримы. Здесь стоит выделить следующие достоинства:
- Непрерывность действия. Спутники на разных орбитах постоянно получают солнечное облучение, передавая энергию на Землю в режиме 24/7;
- Постоянство и надежность. Работа спутников не зависит от погодных условий и угла наклона оси планеты;
- Доступность. В отличие от лунного проекта НАСА, в рамках которого планируется строительство на поверхности спутника, запуск оборудования в космос проще, дешевле и реальнее.
Однако у столь радужной перспективы есть проблемы, которые лишь предстоит решить:
- Размер передающей антенны для энергии частотой 2.45 ГГц должен составлять около 1 км, что трудноосуществимо даже в масштабах космоса. При этом диаметр принимающей антенны на поверхности Земли должен составлять около 10 км;
- Количество денежных средств, которые следует вложить в новый проект, превышает бюджет сразу нескольких развитых стран и может поставить мировую экономику под угрозу нового кризиса. В качестве решения этой задачи предлагается использовать новое поколение ракет-носителей SpaceX Falcon 9, которые без труда выведут спутники и их компоненты на нужную орбиту.
Амбициозные заявления ученых содержат дату 2020-2025 гг. В это время планируется запустить в космос первые пять спутников мощностью свыше 20 ГВт. Пробный запуск оборудования на 100 МВт завершился успешно.
Источник
Альтернативные источники энергии космос
Космическая энергетика — вид альтернативной энергетики, подразумевающий использование энергии солнца для выработки электроэнергии, с расположением энергетической станции на Луне или земной орбите.
Изначально идея появилась в 1970-х годах. Появление такого проекта было связано с энергетическим кризисом. В связи с этим правительство США выделило 20 миллионов долларов космическому агентству NASA и компании Boeing для расчёта целесообразности проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).
После всех расчётов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы 5000 мегаватт энергии, после передачи на землю оставалось бы 2000 мегаватт. Чтобы понять много это или нет, стоит сравнить эту мощность с Красноярской ГЭС, мощность которой составляет 6000 мегаватт. Но примерная стоимость такого проекта 1 триллион долларов, что и послужило причиной закрытия программы.
Технологии применяющиеся в космической энергетике
1. Беспроводная передача энергии на Землю
Беспроводная передача электроэнергии была предложена на ранней стадии в качестве средства для передачи энергии от космической или Лунной станции к Земле. Энергия может быть передана с помощью лазерного излучения или СВЧ на различных частотах в зависимости от конструкции системы. Какой выбор был сделан, чтобы передача излучения была не ионизирующей, во избежание возможных нарушений экологии или биологической системы региона получения энергии? Верхний предел для частоты излучения установлен таким, чтобы энергия на один фотон не вызывала ионизацию организмов при прохождении через них. Ионизация биологических материалов начинается только с ультрафиолетового излучения и, как следствие, проявляется при более высоких частотах, поэтому большое количество радиочастот будет доступно для передачи энергии.
2. Лазеры
Исследователи НАСА работали в 1980-х годах с возможностью использования лазеров для излучения энергии между двумя точками в пространстве. [12] В перспективе эта технология станет альтернативным способом передачи энергии в космической энергетике. В 1991 году начался проект SELENE, который предполагал создание лазеров для космической энергетики, в том числе и для изучение энергии лазерером на лунные базы. [12] В 1988 Грант Логан предложили использовать лазер размещенный на Земле, чтобы обеспечить энергией космические станции, предположительно это можно было осуществить в 1989. [12] Предлагалось использование солнечных элементов из алмаза при температуре 300 °C для преобразования ультрафиолетового лазерного излучения. Проект SELENE продолжал работать над этой концепцией, пока не был официально закрыт в 1993 после двух лет исследований, так и не осуществив тестирования технологии на большие расстояния. Причина закрытия: высокая стоимость осуществления. [12]
3. Преобразование солнечной энергии в электрическую
В космической энергетике (в существующих станциях и при разработках космических электростанций) единственный способ эффективного получения энергии это использование фотоэлементов. Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. [13] В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43 % [14] .
4. Получение энергии от СВЧ волн испускаемых спутником
Так же важно почерпнуть способы получения энергии. Один из них это получение энергии с помощью ректенн. Ректенна (выпрямляющая антенна) — устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока. Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью (например диод). В таком варианте конструкции антенна совмещается с детектором, на выходе которого, при наличии падающей волны, появляется ЭДС. Для повышения усиления такие устройства могут быть объединены в многоэлементные решётки.
материал из Википедии — Свободной энциклопедии
Источник