Энергия космоса для производства электроэнергии

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

Космическая энергетика: история развития, плюсы и минусы

Человечество нуждается в кристальной чистой энергетике в экологическом плане, поскольку современные способы получения энергии серьезно загрязняют окружающую среду. Выход из тупика специалисты видят в новаторских методах. Они связаны с применением космической энергетики.

Начальные идеи

История началась в 1968 году. Тогда Питер Глейзер продемонстрировал замысел массивных спутниковых технологий. К ним монтировался солнечный коллектор. Его размер – 1 квадратная миля. Техника должна была располагаться на высоте в 36 000 км над зоной экватора. Цель – собирать и трансформировать солнечную энергию в электромагнитную полосу поток СВЧ. Таким методом полезная энергия должна передаваться на громадные земные антенны.

В 1970 году американское Министерство энергетики вместе с НАСА изучили проект Глейзера. Это спутник Solar Power Satellite (аббревиатура SPS).

Через три года ученому выдали патент на предложенную методику. Замысел при его реализации принес бы выдающиеся результаты. Но были проведены разные расчеты, и выяснилось, что запланированный спутник генерировал бы 5000 МВт энергии, а Земли бы достигало втрое меньше. Определили и ориентировочные затраты на этот проект – 1 триллион долларов. Это вынудило правительство закрыть программу.

90-е годы

В дальнейшем планировалось расположение спутников на более скромной высоте. Для этого должны были задействовать низкие околоземные орбиты. Эту концепцию в 1990 г. разработали исследователи из центра им. М. В. Келдыша.

По их плану, в 20-30-е годы 21-го века должно быть сооружено 10-30 специальных станций. Каждая из них будет включать 10 энергетических модулей. Совокупный параметр всех станций составит 1,5 – 4,5 ГВТ. На Земле показатель достигнет значений от 0,75 до 2,25 ГВт.

А к в 2100 году число станций будет увеличено до 800. Уровень получаемой энергии на Земле составит 960 ГВт. Но сегодня нет сведений даже о разработке проекта на базе указанной концепции.

Действия НАСА и Японии

В 1994 году был проведен особый эксперимент. Его устроили американские ВВС. Они расположили на низкой земной орбите расширенные фотоэлектрические спутники. Для этой цели были задействованы ракеты.

В период с 1995 по 1997 годы НАСА проводило тщательное исследование космической энергетики. Анализировались ее концепции и технологические специфики.

В 1998 году в эту сферу вмешалась Япония. Ее космическое агентство дало старт программе по формированию космической электросистемы.

В 1999 году НАСА в ответ начало свою аналогичную программу. В 2000 году представитель этой организации, Джон Маккинс, выступил перед конгрессом США с заявлением, что на запланированные разработки требуются огромные расходы и высокотехнологичное оборудование, а также не одно десятилетие.

В 2001 году японцы огласили замысел по усиленным исследованиям и запуске тестового спутника с параметрами 10 кВТ и 1 МВт.

В 2009 году их агентство по исследованию космоса сообщило о намерениях направить на орбиту особый спутник. Он направит солнечную энергию на Землю, задействовав микроволны. Начальный его прототип должен быть выведен в 2030 году.

Также в 2009 году было заключено важное соглашение между двумя организациями — Solaren и PG&E. По нему первая компания будет производить энергию в космосе. А вторая станет ее приобретать. Мощность подобной энергии составит 200 МВт. Этого хватит, чтобы обеспечить ею 250 000 жилых домов. По некоторым данным, проект начал реализовываться в 2016 году.

В 2010 году концерн «Шимицу» опубликовал материал, повествующий о потенциальном построении масштабной станции на Луне. Применят солнечные батареи в огромных количествах. Из них выстроят пояс, который будет иметь параметры 11 000 и 400 км (длина и ширина соответственно).

В 2011 году несколько крупных японских компаний задумали глобальный совместный проект. Он подразумевал применение 40 спутников с монтированными солнечными аккумуляторами. Проводниками энергии на Землю станут электромагнитные волны. Их примет зеркало, имеющее диаметр 3 км. Его сосредоточат в пустынной зоне океана. Проект планировалось запустить в 2012 году. Но по техническим причинам этого не произошло.

Проблемы на практике

Развитие космической энергетики может спасти человечество от катаклизмов. Однако у практической реализации проектов есть немало сложностей.

По задумке, расположение сети спутников в космосе имеет такие преимущества:

1. Постоянное облучение Солнцем, то есть непрерывное действие.
2. Полная независимость от погоды и положения оси планеты.
3. Отсутствие дилемм с массой конструкций и их коррозией.

Реализацию замыслов осложняют следующие проблемы:

1. Огромные параметры антенны – передатчика энергии на поверхность планеты. Так, например, чтобы произошла задуманная передача с применением микроволн, имеющих частоту 2,25 ГГц, диаметр такой антенны составит 1 км. А диаметр зоны, принимающей энергетический поток, на Земле должен быть минимум 10 км.
2. Энергетические потери при движении на Землю – порядка 50%.
3. Колоссальные расходы. Для одной страны это очень существенные суммы (несколько десятков миллиардов долларов).

Таковы плюсы и минусы космической энергетики. Устранением и минимизацией ее недостатков занимаются ведущие державы. Например, американские разработчики пытаются решить финансовые дилеммы при помощи ракет SpaceXs Falcon 9. Эти устройства значительно снизят траты на осуществление задуманной программы (в частности – запуск спутников SBSP) .

Лунная программа

Согласно концепции Дэвида Крисуэлла, задействовать Луну как базу размещения необходимого оборудования крайне необходимо.

Это оптимальное место в решении дилеммы. К тому же где получается космическую энергетику развить, как не на Луне? Это территория, не имеющая атмосферы и погоды. Выработка энергии здесь может идти непрерывно с солидным КПД.

К тому же многие составляющие батарей можно соорудить из лунных материалов, например, грунта. Так существенно снижаются затраты при аналогии с прочими вариациями станций.

Ситуация в России

Космическая энергетика страны развивается на основе следующих принципов:

1. Обеспечение энергией – это социально-политическая проблема планетарного масштаба.
2. Экологическая безопасность – это заслуга грамотного космического исследования. Должны применяться «зеленые» тарифы на энергию. Здесь обязательно учитывается социальное значение ее носителя.
3. Постоянная поддержка программ по освоению новаторских способ получения энергии.
4. Процент электроэнергии, генерируемой на АЭС, требуется оптимизировать.
5. Выявление оптимального соотношения энергетики с наземным и космическим сосредоточением.
6. Применение космической авиации для образования и передачи энергии.

Космическая энергетика в России взаимодействует с программой ФГУП НПО им. Лавочкина. Замысел основывается на применении солнечных коллекторов и антенн с излучениями. Базисные технологии – автономные спутники, контролирующиеся с Земли при помощи пилотного импульса.

Для антенны задействуется СВЧ-спектр с короткими, даже миллиметровыми волнами. Благодаря этому в космическом пространстве возникнут узкие лучи. При этом потребуются генераторы и усилители скромных параметров. Тогда понадобятся и существенно меньшие антенны.

Инициатива ЦНИИмаш

В 2013 году эта организация (она же – ключевое научное подразделение Роскосмоса) предложила сооружать отечественные космические солнечные электростанции. Их задуманная мощность находилась в диапазоне 1-10 ГВт. На Землю энергия должна передаваться беспроводным методом. Для этой цели, в отличие от США и Японии, российские ученые намеревались применять лазер.

Ядерная политика

Расположение солнечных аккумуляторов в космосе подразумевает определенные преимущества. Но здесь важно строго соблюдать необходимую ориентацию. Техника не должна пребывать в тени. В связи с этим ряд специалистов относятся скептически к лунной программе.

И сегодня наиболее эффективным методом считается «Космическая ядерная энергетика — солнечная космическая энергетика». Он подразумевает размещение в космосе мощного ядерного реактора или генератора.

Первый вариант отличается огромной массой и требует тщательного контроля и обслуживания. Теоретически в космосе автономно он сможет проработать не более года. Это слишком короткий срок для космических программ.

Второй отличается солидным КПД. Но в условиях космоса сложно варьировать его мощность. Сегодня американские ученые из НАСА разрабатывают усовершенствованную модель такого генератора. Отечественные специалисты тоже активно работают в этом направлении.

Общие мотивы для развития космической энергетики

Они могут внутренними и внешними. В первую категорию входят:

1. Резкий прирост населения планеты. По некоторым прогнозам, число жителей Земли к окончанию 21-го столетия составит более 15 млрд человек.
2. Постоянно повышается уровень потребления энергии.
3. Использование классических методов образования энергии становится неактуальным. Они основываются на нефти и газе.
4. Отрицательное влияние на климат и атмосферу.

Ко второй категории относятся:

1. Периодические падения на планету крупных частей метеоритов и комет. По статистике, это происходит раз в столетие.
2. Изменения магнитных полюсов. Хоть периодичность здесь – раз в 2000 лет, есть угроза, что северный и южный полюс поменяются местами. Тогда на некоторое время планета лишится магнитного поля. Это чревато серьезным поражением радиацией, но налаженная космическая энергетика могла бы стать обороной от подобных катастроф.

Источник