Космические электростанции спасут мир от энергетического кризиса. Мы в шаге от революции
Инновации23 ноября 2022, 07:22
В конце сентября инженеры аэрокосмической компании Airbus показали проект Power Beaming — возможную концепцию того, как будет выглядеть чистая энергетика в будущем.
Они передавали энергию в виде микроволн от фотоэлектрической панели к приемнику, между которыми было 36 метров. С помощью этой энергии инженеры осветили макет города и холодильник с безалкогольным пивом, которым позже наслаждались зрители.
Таким видится будущее солнечной энергетики исследователям. Разве что пиво можно взять другое.
В Airbus обещают, что первые прототипы Power Beaming появятся до 2030 года, несмотря на то, что околоземную орбиту и поверхность Земли разделяет большее расстояние. «Теперь, когда мы впервые успешно протестировали ключевые элементы будущей космической солнечной энергетической системы в небольшом масштабе, мы готовы вывести передачу энергии на новый уровень», — говорит Йоанн Туе, руководитель исследовательского проекта Airbus.
Согласно их расширенной концепции, космические солнечные батареи, размещенные на околоземной орбите, улавливают солнечный свет, преобразовывают его в микроволны и направляют энергию на Землю. Там с помощью специальных антенн микроволны света превращаются в чистое электричество, которое можно использовать на месте, а можно передавать в другие точки на планете.
Жан-Доминик Косте, старший менеджер подразделения Blue Sky, занимающегося разработкой инновационных технологий в Airbus, уверен, что микроволновые лучи можно сделать такими, чтобы они не наносили вред ни людям, ни птицам, ни каким-либо наземным зданиям или технологиям.
Современная солнечная энергетика не способна полностью заменить ископаемые источники энергии. Распространение солнечных панелей — это полезная инициатива, которая помогает государствам и компаниям постепенно отказываться от ископаемых источников энергии, однако она не сможет заменить уголь, нефть и газ, как бы мы не старались.
Подпишитесь на NV Премиум и читайте без ограничений
Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой
Да, есть ветровая энергетика, водная и так далее — однако они даже в совокупности не готовы серьезно изменить наш энергетический баланс. В лучшем случае они оттягивают неминуемое.
Наш мир уже давно находится на грани экологической катастрофы. Сейчас мы привыкли читать о ней лишь краем глаза, пока ученые пытаются объяснить, почему потепление средней температуры поверхности планеты на 2 градуса Цельсия будет критическим для всей экосистемы Земли.
Активное технологическое развитие человечества дало нам огромные возможности. Однако это происходит не в последнюю очередь ценой нашей экосистемы.
Человечество очень долго эксплуатировало ресурсы своей планеты. Ископаемое топливо позволяет нам вырабатывать тепло, питаться, дает возможность нашим машинам двигаться, а людям — жить так, как мы живем сейчас. Однако это можно назвать жизнь в кредит, поскольку активное сжигание ископаемого топливо необратимо ведет к очень плохим последствиям. Ученые уже давно бьют тревогу из-за парникового эффекта, из-за которого планета нагревается намного быстрее, чем предсказывалось ранее, а уровень моря повышается (пока еще не) критическими темпами.
Даже если не говорить о высоких материях и далеких перспективах, проблема зависимости от нефти и газа продемонстрировала война в Укране. США и Европа отказались от российских энергоносителей, из-за чего им пришлось спешно думать о том, как перестроить свои энергетические системы с минимальными последствиями.
Поэтому исследователи активно изучают альтернативные способы получения энергии. Долгое время перспективным направлением считалась добыча водорода. Однако на самом деле чистый водород добывать не то что невыгодно — это чрезвычайно дорого, а потому убыточно. Как минимум, сейчас.
Вот уже 70 лет тысячи исследователей пытаются добиться прогресса с термоядерной энергетикой — или, как ее еще называют, энергией звезд. Проблема в том, что это очень сложная технология — в научном мире уже давно гуляет шутка про то, что до создания рабочего термоядерного реактора осталось 30 лет — и так будет всегда. История шутки в том, что подобные разговоры ведутся с 1950-х годов, когда о перспективности этого направления заговорили впервые.
Солнце и космос — наши энергетические друзья?
Если посмотреть на вопрос шире, то космос кажется логичным продолжением развития человечества. Мы уже давно изучаем его тайны, исследуем планеты, рассматриваем далекие звезды и галактики. Таким образом мы не только узнаем больше о нашем мире, но и можем прийти к концепциям, о которых раньше никто не мог и задуматься.
В последнее время ученые все чаще обращают внимание на космос как возможность получать энергию. Лучшие реакторы существуют именно там — например, наша звезда. Ежедневно Земля получает от Солнца в разы больше энергии, чем все человечество потребляет за год. Если мы научимся эффективнее захватывать энергию, исходящую от нашей звезды, мы сможем если не полностью, то хотя бы частично решить проблемы ископаемого топлива, выбросов углерода, парникового эффекта, глобального потепления и остальных страшных словосочетаний, которые не сулят нам ничего хорошего.
Поэтому исследователи все активнее интересуются направлением, которое до недавних пор казалось плодом сюжета научно-фантастических фильмов и книг: космическая солнечная энергия. Главное преимущество сбора солнечной энергии в космосе — отсутствие земной атмосферы. Благодаря этому гипотетическая космическая станция не зависит от погоды на Земле и в теории может круглосуточно захватывать солнечную энергию и направлять ее на нашу планету.
«Как только дело дойдет до коммерческих инвестиций, сфера расцветет. Это может быть индустрия на триллионы долларов», — цитирует исследователя NASA Джона Манкинса издание Science.
Десять лет назад он занимался оценкой этого направления для агентства. По его словам, в NASA впервые задумались о концепции космической солнечной энергии во время топливного кризиса середины 1970-х годов. Однако демонстрационная миссия обошлась бы примерно в триллион долларов, из-за чего идею отложили, а затем и вовсе всячески игнорировали ее.
Однако теперь ситуация меняется. Сейчас NASA проводит новую оценку потенциала космической солнечной энергетики, и в ближайшее время агентство обнародует свои выводы.
Очевидно, что до крупных инвестиций нужно подождать. Сначала должны появиться технологии, которые продемонстрируют потенциал солнечной космической энергетики. Так, чтобы люди увидели — это может работать и может действительно спасти человечество от энергетического кризиса.
Сторонники космической солнечной энергетики считают, что постепенное удешевление полетов в космос, а также постоянное развитие технологий постепенно подводят нас к точке, в которой эта идея превращается из фантастической в реализуемую. За последние годы стоимость солнечных батарей значительно упала, а их качество постоянно растет. Микроволновые передатчики и приемники также не являются чем-то новым для нас и постоянно используются в телекоммуникационной отрасли. К строительству гигантских солнечных батарей можно будет привлечь роботов, которые уже разрабатываются для ремонта и дозаправки спутников в космосе.
По словам политического аналитика NASA Николая Джозефа, который работает над докладом агентства о потенциале космической солнечной энергетики, появление многоразовых ракет-носителей позволит частным компаниям вроде SpaceX и государственным агентствам вроде NASA запускать в космос грузы гораздо дешевле.
Это несомненно поможет в строительстве гигантских солнечных батарей, отмечает ученый Европейского космического агентства Санджай Виджендран. По словам Туэ, чтобы заменить угольную или атомную электростанцию на Земле, космическая солнечная батарея должна быть диаметром в два километра. Для реализации такого проекта потребуются сотни, если не тысячи запусков.
Манкинс отмечает, что массовое производство помогло бы удешевить стоимость подобного проекта. Это не уникальный высокотехнологичный телескоп и не марсоход, который должен работать в экстремальных условиях Красной планеты — космическая солнечная батарея скорее всего будет состоять из тысячи идентичных недорогих компонентов, а технология их доставки на «строительную площадку» со временем будет отточена до совершенства.
Европа возглавляет гонку за космической солнечной энергетикой?
Недавно генеральный директор агентства Йозеф Ашбахер запросил у правительства ЕС деньги на новую программу Solaris. В рамках этой программы планируется проведение масштабного исследования, которое позволить оценить перспективы сооружения солнечной электростанции на орбите Земли.
Проект недешевый — по грубым прикидкам, общая стоимость постройки, запуска и эксплуатации станции в период с 2022-го по 2070-й будет варьироваться в диапазоне от 149 до 262 миллиардов евро. Однако эти деньги со временем отобьются, а энергетические потребности Европы будут закрыты.
Подобные проекты также рассматривают в Китае и Великобритании. И если британцы пока только на стадии разработки проекта, то китайцы уже в 2028 году хотят запустить пробный спутник будущей солнечной станции в космосе. Тем не менее китайские ученые также отмечают, что реализация подобного проекта — чрезвычайно сложная задача.
Среди основных проблем космической солнечной энергетики (помимо высокой цены запуска подобных масштабных проектов) также выделяется проблема отсутствия ключевых технологий: КПД добычи энергии (эксперимент Airbus передавал 5% электроэнергии относительно собранной) где и как хранить солнечную энергию, как наладить стабильную передачу энергии из космоса на Землю (современные передатчики и приемники теряют половину мощности энергии при передаче), как поддерживать огромную конструкцию в рабочем состоянии и избежать ее столкновения со спутниками и космическим мусором и так далее.
ЕКА планирует попросить государства-члены профинансировать оценку того, можно ли преодолеть все эти технические препятствия. Если все пройдет успешно, уже в 2025 году агентство сможет составить полномасштабный план реализации проекта, а к 2030 году выведет на орбиту демонстрационную установку, к 2040-му увеличив ее мощность до гигаватт, что эквивалентно обычной электростанции.
Возможно, именно от успеха этой миссии будет зависеть судьба человечества.