По данным «Таймс», правительство Великобритании изучает предложение стоимостью 16 млрд фунтов стерлингов на строительство солнечной электростанции в космосе. Потенциальную эффективность новаторского проекта космической гелиостанции объяснила Йована Радулович, руководитель школы машиностроения и проектирования в составе Портсмутского университета. Источник: The Conversation.
Проект солнечной энергии из космоса действительно является одной из технологий, включенных в британский правительственный портфель инноваций Net Zero. Такая электростанция могла бы стать потенциальным решением, наряду с другими, позволяющим Великобритании достичь «нуля» к 2050 г.
Но как вообще будет действовать космическая солнечная электростанция, каковы плюсы и минусы такой технологии?
Принцип действия
Смысл космической солнечной энергетики заключается в сборе энергии Солнца в космосе и отправке ее на Землю. Эта идея не считается новой, однако лишь благодаря последним технологическим достижениям, ее перспектива стала относительно достижимой.
Солнечная энергетическая система, размещаемая в космосе, представляет собой спутник, улавливающий солнечную энергию – космическую станцию с огромными солнечными панелями. Генерируя электричество, станция пересылает его по высокочастотным радиоволнам на Землю. Антенна на поверхности планеты, называемая ректенной, способна преобразовывать радиоволны в электроэнергию, которую, в свою очередь, передает в энергосистему страны.
Поскольку орбитальная космическая гелиостанция будет освещаться Солнцем круглые сутки, электроэнергию она способна вырабатывать непрерывно. В этом заключается ее основное преимущество перед солнечными энергосистемами наземного типа, способными производить электроэнергию лишь в течение светового дня и зависящими от погоды.
Предполагается, что мировой спрос на энергию к 2050 году возрастет почти вдвое, космическая солнечная энергия была бы способна сыграть важнейшую роль в удовлетворении нарастающих потребностей энергосектора всей планеты, одновременно стабилизируя глобальный рост температуры.
Имеются некоторые проблемы
Конструкция солнечной космоэлектростанции базируется на солнечных модулях, собираемых на орбите роботами. Транспортировка всех эти элементов в космос сложна, недешева и наносит ущерб окружающей среде.
Одной из ранних проблем был вес гелиопанелей. Но сейчас эта проблема практически решена, поскольку уже существуют сверхлегкие солнечные элементы (каждая гелиопанель состоит из множества элементов меньшего размера).
Сегодня идея добычи солнечной энергии в космическом пространстве признается технически осуществимой, в первую очередь благодаря ключевым разработкам передовых технологий, включая облегченные солнечные элементы, создание технологии беспроводной передачи энергии и новинки робототехники, способные действовать в космосе.
Однако следует заметить, что для сборки даже единственной гелиоэлектростанции вне Земли потребуются многочисленные запуски грузовых космических челноков. Поэтому, несмотря на тот факт, что космическая солнечная энергия в долгосрочной перспективе позволит сократить выбросы углерода, произойдет значительное насыщение атмосферы выбросами, связанными с серией космических запусков, что обернется многолетними затратами по их устранению.
Кроме того, сейчас космические шаттлы не допускают повторного использования, хотя некоторые компании, в частности, Space X, пытаются изменить такое положение. Лишь при многократном использовании запускаемых с планеты кораблей будет возможно сократить суммарные расходы по добыче космической солнечной энергии.
Если у землян получится успешно собрать и разместить космическую гелиоэлектростанцию, то ее эксплуатация также будет сопровождаться несколькими практическими проблемами. Солнечные батареи могут быть побиты фрагментами космического мусора. А еще в космосе их не будет защищать земная атмосфера, а значит, на батареи будет воздействовать солнечное излучение высокой интенсивности. Это означает, что космические солнечные панели будут деградировать быстрее, чем на Земле, отчего их генерационная мощность будет достаточно быстро снижаться.
Еще одним вопросом является целесообразность беспроводной передачи энергии. На настоящий момент отправка энергии на большие расстояния – в рассматриваемом случае от орбитального спутника на нашу планету – затруднена. Современные технологии позволят достигнуть Земли лишь малой части солнечной энергии, собранной космической гелиостанцией.
Пилотные проекты
В рамках американского проекта Space Solar Power Project ведется разработка высокоэффективных солнечных элементов и системы преобразования-передачи энергии Солнца, которая будет оптимизирована для использования в пространстве космоса. Специалисты исследовательской лаборатории ВМС Штатов уже проводили в 2020 г. испытания солнечного модуля и работу системы преобразования энергии непосредственно в космосе. Между тем, Китай уже сообщил о прогрессе в создании собственной космической гелиоэлектростанции «Бишань», которая должна стать функционирующей системой примерно к 2035 г.
Согласно свежему отчету Frazer-Nash Consultancy, британский проект космической солнечной энергетики, объявленная стоимость которого составит 17 млрд фунтов стерлингов считается вполне жизнеспособной концепцией. Предполагается, что проект космической гелиостанции начнется с испытаний небольшого формата, за которыми последует запуск полноценной электростанции ориентировочно в 2040 году.
Общий диаметр станции, собирающей солнечную энергию в космосе, будет порядка 1,7 км, ее вес – приблизительно 2000 тонн. При этом размеры наземной антенны будут еще больше – около 6,7 км на 13 км. Учитывая законодательные условия использования земли в Великобритании, антенну, скорее всего, разместят в оффшорной зоне.
Эта гелиостанция будет поставлять в Великобританию 2 ГВт электроэнергии. Несмотря на значительный объем поставляемой энергии, космическая электростанция внесет сравнительно небольшой вклад в общую генерирующую мощность Соединенного Королевства, составляющую сейчас примерно 76 ГВт.
При очевидно высоких, крайне высоких первоначальных затратах и долговременной окупаемости инвестиций, на проект солнечной электростанции в космосе будут необходимы как значительные государственные ресурсы, так и инвестиционный интерес частных компаний.
Впрочем, с развитием данной технологии стоимость космического запуска и энерговыработки будет неуклонно снижаться. А масштабность проекта гелиостанций позволит запустить их серийно-массовое производство, что должно несколько сократить затраты.
Предоставит ли солнечная энергия, добываемая напрямую в космосе, нам лучшие возможности в достижении «нуля» к середине XXI века – судить об этом сейчас невозможно. Существуют другие технологии, включающие разнообразные и гибкие методы сохранения энергии, водород и интенсивно развиваемые системы возобновляемой энергии, намного лучше исследованные и проще реализуемые.
Несмотря на проблемы, сама идея добычи солнечной энергии в космосе продолжит стимулировать новые исследования и разработки. Вполне возможно, что в будущем именно эта технология станет играть значимую роль в глобальном энергоснабжении.