Конечно, сейчас это больше похоже на научную фантастику: гигантские солнечные электростанции, летящие в космосе, передают на Землю беспроводным способом огромное количество энергии, способное удовлетворить растущие потребности человечества. И долгое время эта концепция, впервые разработанная советским ученым Константином Циолковским в 1920-х годах, в основном вдохновляла только писателей-фантастов.
Однако, как показывает практика, хватает смелых идей, которые еще несколько десятилетий назад казались фантастикой, а теперь ученые добиваются огромных успехов в воплощении их в жизнь. Так, Европейское космическое агентство (ЕАК) осознало потенциал «космической энергии» и теперь готово профинансировать связанные с этим проекты, прогнозируя, что в будущем космические солнечные электростанции смогут поставлять «зеленую» энергию на Землю беспроводным способом — с помощью так называемого «луча энергии».
Производство энергии за пределами нашей планеты позволит частично решить одну из величайших проблем современности — изменение климата. Но, с учетом того, что в последние годы исследования в области возобновляемых источников энергии получили резкое развитие, позволив повысить эффективность получения «чистой» энергии и снизить ее стоимость за киловатт, возникает вопрос: а будет ли космическая солнечная электростанция выгоднее или хотя бы в чем-то лучше наземной?
Возможный принцип работы солнечной электростанции, разработанный ЕАК.
Ответ — да. Одним из основных препятствий для развития возобновляемых источников энергии является тот факт, что они не могут добывать ее постоянно. Так, ветряные и солнечные электростанции производят энергию только тогда, когда дует ветер или светит солнце, из-за чего их выгодно размещать далеко не на все площади нашей планеты. Волновые электростанции способны работать практически всегда, но опять же их можно располагать только на берегах морей или океанов, а ведь множество людей живет в глубине материков.
Более того, нам нужно электричество круглосуточно, каждый день. Поэтому в конечном счете нам нужен способ хранения энергии в больших объемах, прежде чем мы сможем полностью перейти на возобновляемые источники.
Преимущества космоса
Возможный способ обойти эти проблемы — это генерировать солнечную энергию в космосе. В этом есть много преимуществ. Космическая солнечная электростанция может вращаться на орбите вокруг Солнца, будучи повернутой к нему 24 часа в сутки. К тому же атмосфера Земли поглощает и отражает часть солнечного света, да и ясная погода бывает не всегда, поэтому солнечные элементы над атмосферой будут получать больше солнечного света и производить больше энергии.
Крупнейшая солнечная электростанция Тэнгэр, расположена в Китае. Вырабатывает 1.5 ГВт энергии — сравнимо с большими АЭС.
Но все еще остается множество технических проблем, которые необходимо преодолеть, одна из важнейших — это сборка, запуск и развертывание таких больших конструкций, как электростанция. Например, чтобы запитать Республику Калмыкия, которая среди регионов РФ потребляет меньше всех энергии, потребуется солнечная электростанция на 600 МВт, которая займет около 20 квадратных километров — по площади это сравнимо с 2800 футбольными полями. Которые нужно запустить в космос. Поэтому использование легких материалов будет иметь решающее значение в решении этой проблемы, так как самыми большими расходами будут затраты на запуск готовых блоков для сборки электростанции на орбите.
Одно из предлагаемых решений — создать рой из тысяч стандартизированных спутников небольших размеров (например, кубсатов), которые относительно несложно выводить в космос сразу в больших количествах, где они соберутся вместе и сконфигурируются для создания единой большой солнечной электростанции. В 2017 году исследователи Калифорнийского технологического института разработали проект модульной электростанции, в которой солнечные батареи состоят из тысяч сверхлегких панелей. Они также продемонстрировали прототип одной такой панели, и ее вес составил всего 280 граммов на квадратный метр — это сравнимо с обычной картой, если ее расстелить на такой же площади.
Эта полноценная солнечная панель весит меньше 1.5 грамм при размерах 10 х 10 см.
Ученые из Ливерпульского университета пошли еще дальше и изучают новые производственные технологии для трехмерной печати сверхлегких солнечных панелей прямо на солнечных парусах. Солнечный парус — это складная, легкая и хорошо отражающая свет мембрана, способная использовать эффект давления солнечного ветра для ускорения космического корабля абсолютно без затрат топлива. Исследователи изучают, как встроить солнечные панели в конструкцию солнечного паруса для создания больших безтопливных солнечных электростанций.
Такие методы действительно могут позволить нам построить полноценные солнечные электростанции в космосе. И если запитка от них целых регионов на Земле — далекая фантастика, продолжение изучения связанных с этим технологий как минимум позволит инженерам создавать более эффективные солнечные панели для зондов и даже будущих станций на Луне или Марсе.
Спутник с солнечным парусом, в который интегрирована солнечная батарея, по сути сможет работать вечно без топлива.
Но остается еще одна серьезная проблема — полученную энергию нужно как-то вернуть на Землю, при этом желательно с наименьшими потерями. Разумеется, протянуть линию электропередач на орбиту не получится, поэтому план состоит в том, чтобы преобразовать электричество от солнечных элементов в электромагнитные волны, отправляя их вниз к принимающей антенне на поверхности Земли, где происходит обратное преобразование в электричество.
Грубо говоря, получается своеобразная «беспроводная зарядка для Земли» космических масштабов. И, как бы фантастически это не звучало, исследователи из Японского агентства аэрокосмических исследований уже разработали необходимые для этого конструкции и продемонстрировали орбитальную систему, которая способна передавать энергию с орбиты на Землю.
Разумеется, в этой области еще предстоит проделать большую работу, но все идет к тому, чтобы солнечные электростанции в космосе станут реальностью в ближайшие десятилетия. Так, исследователи из Китая разработали систему под названием Omega, которую они планируют ввести в эксплуатацию к 2050 году. Эта система должна быть способна передавать 2 ГВт энергии в электросети на Земле с максимальным КПД, и это немалая цифра: этого хватит для запитки всего Севастополя.
Концепт космической солнечной электростанции Alpha, которую разрабатывает НАСА.
Во всем мире научное сообщество вкладывает время и усилия в разработку солнечных электростанций в космосе. И, вполне возможно, наступит время, когда над нашими головами будут летать спутники, которые будут раздавать нам не только интернет, но и энергию.
